Solvent Operated Polydimethylsiloxane (PDMS) Sponge Coatings for Tunable Transmittance Smart Windows

Sintesi Tecnica: Rivestimenti a Spugna di Polidimetilsilossano (PDMS) Operati tramite Solvente per Finestre Intelligenti a Trasmittanza Regolabile

Definizione del Problema
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento rappresentano circa il 30% del consumo energetico globale, con le finestre che fungono da siti primari di scambio termico. Le tecnologie esistenti per le finestre intelligenti, come i sistemi elettrocromici, termocromici e a cristalli liquidi dispersi, affrontano barriere significative all'adozione su larga scala. Queste includono elevati costi di produzione, metodi di fabbricazione complessi, preoccupazioni per la tossicità, sensibilità alle condizioni ambientali e durabilità limitata. Inoltre, sebbene le tecnologie di raffreddamento radiativo offrano promesse, esse spesso si affidano a materiali nanoporosi costosi. Esiste una critica necessità di un'alternativa sostenibile, scalabile ed economica in grado di regolare dinamicamente il trasferimento di luce e calore senza complessi sistemi di controllo esterno.

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un rivestimento per finestre intelligenti regolabile basato su spugne di Polidimetilsilossano (PDMS). Il processo di fabbricazione utilizza un metodo di "templating con zucchero" semplice e rispettoso dell'ambiente:

1. Sintesi del Materiale: Viene preparata una miscela di prepolimero PDMS, un agente di reticolazione e zucchero granulato. Lo zucchero funge da template rimovibile per creare una struttura porosa.
2. Ottimizzazione: I parametri chiave sono stati sistematicamente ottimizzati per bilanciare la resistenza meccanica, il comportamento di rigonfiamento e le prestazioni ottiche. La formulazione ottimale determinata è un rapporto ponderale PDMS:agente di reticolazione:zucchero di 10:1:4, utilizzando granuli di zucchero di dimensioni compresi tra 500 e 200 µm.
3. Applicazione del Rivestimento: La miscela è stata colata su substrati di vetro, reticolata a 80°C per 3 ore, e il template di zucchero è stato rimosso tramite lavaggio ultrasonico in acqua, lasciando uno strato di spugna PDMS (spessore di circa 0,57 mm) aderente al vetro.
4. Meccanismo di Regolazione: Le proprietà ottiche sono controllate dall'infusione e dal rilascio di un solvente. Nello stato asciutto, i pori pieni d'aria creano un disadattamento dell'indice di rifrazione ($\Delta n \approx 0,42$) tra il PDMS ($n \approx 1,42$) e l'aria ($n \approx 1,0$), causando la diffusione della luce e un aspetto opaco. Con l'infusione di olio di silicone ($n \approx 1,40$), la differenza dell'indice di rifrazione viene minimizzata ($\Delta n \approx 0,02$), rendendo il rivestimento trasparente.

Risultati Chiave

• Prestazioni Ottiche: Il vetro rivestito con spugna PDMS esibisce una commutazione reversibile tra stati opachi e trasparenti.
  • Stato Opaco (Asciutto): Blocca l'84,6% della luce solare.
  • Stato Trasparente (Infuso con Olio di Silicone): Permette la trasmissione dell'84,8% della luce (bloccando solo il 15,2%), comportandosi in modo simile al vetro non rivestito.
  • Selezione del Solvente: Sebbene l'esanolo fornisse una trasmittanza leggermente superiore (~100%), l'olio di silicone è stato selezionato come solvente ottimale grazie al suo profilo di sicurezza, al moderato rapporto di rigonfiamento (27%) e all'alta trasmittanza (86%).
• Regolazione Termica: Sotto irraggiamento IR (che simula il calore solare), lo stato opaco ha dimostrato una differenza di temperatura ($\Delta T$) significativa di 4,40 ± 1,05 °C tra la superficie anteriore e quella posteriore, bloccando efficacemente il calore. Al contrario, lo stato trasparente ha mostrato un $\Delta T$ di soli 0,83 ± 0,15 °C, permettendo la trasmissione del calore in modo simile al vetro non rivestito.
• Durabilità e Stabilità:
  • Meccanica: I rivestimenti hanno resistito a 200 cicli di abrasione meccanica con un carico di 20 g su carta vetrata a grana 600 senza delaminazione o deformazioni significative.
  • Chimica: I rivestimenti sono rimasti stabili dopo l'immersione in soluzioni fortemente acide (pH 1) e alcaline (pH 13).
  • Lungo termine: I campioni hanno mantenuto l'integrità strutturale e le prestazioni dopo 6 mesi di esposizione all'olio di silicone.
• Versatilità: Il sistema è stato applicato con successo a substrati di vetro di varie forme e geometrie, dimostrando scalabilità.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di presentare la prima ottimizzazione dettagliata di un sistema basato su spugna applicato a superfici vetrate per applicazioni di finestre intelligenti. Gli autori evidenziano diversi vantaggi rispetto ai sistemi allo stato dell'arte:

1. Semplicità e Costo: La fabbricazione si basa su materiali facilmente reperibili e a basso costo (PDMS, zucchero, olio di silicone) ed evita l'uso di sostanze chimiche pericolose o sintesi complesse.
2. Indipendenza Ambientale: A differenza dei materiali termocromici (ad esempio VO₂ o pNIPAm) che richiedono specifiche soglie di temperatura per la commutazione, questo sistema opera tramite infusione di solvente, offrendo prestazioni costanti indipendentemente dalle fluttuazioni della temperatura ambiente.
3. Doppia Funzionalità: Il rivestimento fornisce un controllo dinamico sia sulla trasmissione della luce solare che sul blocco del calore, passando da uno stato opaco che blocca il calore a uno stato trasparente che trasmette il calore.
4. Robustezza: Il sistema dimostra un'elevata durabilità meccanica e chimica, affrontando le comuni limitazioni delle tecnologie esistenti per le finestre intelligenti.

Gli autori riconoscono i limiti, specificamente che lo stato opaco limita la visibilità e che il sistema richiede attualmente un meccanismo esterno (come pompe) per iniettare e prelevare il solvente. Tuttavia, essi sostengono che questa piattaforma offra una soluzione valida e a basso costo per l'efficienza energetica degli edifici in applicazioni in cui la trasparenza totale non è strettamente richiesta.