Engineering Printable PNIPAM/HPC Thermochromic Hydrogels through Multi-Parameter Optimization for Energy-Efficient Smart Windows

Stel je een raam voor dat niet simpelweg passief in een muur zit te wachten tot de zon de kamer verwarmt of de kou de kamer afkoelt. Stel je in plaats daarvan een raam voor dat werkt als een levende huid, die de temperatuur voelt en zijn eigen aard verandert om het binnen comfortabel te houden. Wanneer de buitenlucht warm wordt, wordt het glas troebel, waardoor de hitte van de zon wordt geblokkeerd. Wanneer de lucht afkoelt, wordt het glas weer helder, waardoor het licht en de warmte naar binnen kunnen. Dit is de belofte van "slimme ramen", een technologie die de energie die nodig is om onze gebouwen te verwarmen en te koelen drastisch zou kunnen verminderen. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die dit automatisch kunnen doen, zonder dat er elektriciteit of complexe controles nodig zijn. Een van de meest veelbelovende kandidaten is een type gel gemaakt van een speciale kunststof die reageert op warmte. Het omzetten van deze laboratoriumcuriositeit naar een echt, betaalbaar product is echter moeilijk gebleken. De materialen waren te duur, te moeilijk te vormen of te onvoorspelbaar voor gebruik in grote gebouwen.

Een team onderzoekers aan het Institute for Color Science and Technology in Teheran heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van deze problemen. Ze hebben een nieuwe methode ontwikkeld om een materiaal voor slimme ramen te maken dat niet alleen effectief is, maar ook printbaar, wat betekent dat het geproduceerd kan worden met geavanceerde 3D-printtechnieken. Hun werk richt zich op een gel gemaakt van een polymeer genaamd poly(N-isopropylacrylamide), dat van nature verandert van helder naar troebel bij een specifieke temperatuur. De uitdaging was om deze gel goedkoop genoeg en makkelijk genoeg hanteerbaar te maken voor massaproductie. De onderzoekers ontdekten dat ze door een veelvoorkomende, goedkope plantaardige vezel zorgvuldig te mengen en het chemische recept aan te passen met eenvoudige zouten, de gel konden afstemmen om te schakelen op de perfecte temperatuur voor menselijk comfort. Ze ontdekten een specifiek recept dat de balans vindt tussen de noodzaak voor het raam om transparant te zijn als het koel is en opaak wanneer het warm is, terwijl het ook stevig genoeg is om in complexe vormen geprint te worden.

De reis naar deze oplossing begon met het begrijpen van de structuur van de gel zelf. Het materiaal is een sponsachtige netwerk van minuscule polymeerketens gevuld met water. Wanneer de temperatuur laag is, houden de ketens het water vast en spreiden ze uit, waardoor de gel helder wordt. Wanneer de temperatuur stijgt, laten de ketens het water los, klappen ze in en klonteren ze samen, waardoor het licht wordt verstrooid en de gel wit wordt. De onderzoekers wisten dat de sterkte van de verbindingen tussen deze ketens cruciaal was. Als de verbindingen te los waren, zou de gel te zacht en onstabiel zijn. Als ze te strak waren, zou de gel niet in staat zijn om effectief van vorm te veranderen. Ze testten verschillende hoeveelheden van een chemische "lijm" die de ketens aan elkaar verbindt. Ze vonden dat een gematigde hoeveelheid van deze lijm de beste structuur creëerde: een netwerk dat sterk genoeg was om zijn vorm te behouden, maar flexibel genoeg om duidelijk te schakelen tussen transparante en opaak toestanden. Deze specifieke balans zorgde ervoor dat het materiaal bijna 84 procent van het licht blokkeert wanneer het warm is, terwijl het meer dan 90 procent van het licht doorlaat wanneer het koel is.

Zodra ze de juiste structuur hadden, moest het team de temperatuur aanpassen waarop deze overgang plaatsvindt. Het natuurlijke schakelpunt van de gel lag iets te hoog voor veel gebouwen. Om dit te verlagen, weeken ze de gelen in zout water. Ze testten twee soorten zout: één dat gebruikelijk is in keukens en een andere die vaak in industriële processen wordt gebruikt. Het keukenzout, natriumchloride, werkte prachtig. Het verlaagde de schakeltemperatuur naar een comfortabel bereik zonder de helderheid van het materiaal aan te tasten. Het industriële zout, calciumchloride, verlaagde de temperatuur nog verder, maar maakte de gel troebel zelfs wanneer deze koel was, wat het doel van een slim raam tenietdeed. De onderzoekers concludeerden dat het keukenzout de juiste keuze was, waardoor ze het raam konden afstemmen op een temperatuur die overeenkomt met menselijke comfortniveaus, rond de 27 graden Celsius.

De laatste hindernis was kosten en produceerbaarheid. Het belangrijkste ingrediënt van de gel is duur, wat grote ramen onbetaalbaar zou maken. Om dit op te lossen, voegden de onderzoekers een kleine hoeveelheid hydroxypropylcellulose toe, een materiaal afgeleid van houtpulp dat goedkoop en overvloedig aanwezig is. Ze mengden deze plantaardige vezel direct in de gel terwijl deze werd gevormd. Deze toevoeging deed twee belangrijke dingen. Ten eerste verminderde het de hoeveelheid dure kunststof die nodig was, wat de kosten drukte. Ten tweede veranderde het de textuur van het mengsel, waardoor het dik genoeg werd om door een printkop gedrukt te worden zonder zijn vorm te verliezen. Dit opende de deur naar vierdimensionale printing, waarbij een geprint object in de loop van de tijd kan veranderen van vorm of functie als reactie op de omgeving. Ze ontdekten dat het toevoegen van ongeveer 30 procent van deze plantaardige vezel het ideale mengsel creëerde. Het hield de gel helder en reactief, terwijl het het stevig en gemakkelijk printbaar maakte.

Het resultaat is een materiaal dat klaar is voor de volgende fase van ontwikkeling. De onderzoekers hebben een specifieke formule geïdentificeerd die de juiste hoeveelheid chemische lijm, het juiste zout en de juiste hoeveelheid plantaardige vezel combineert. Deze formule creëert een hydrogel die schakelt op de perfecte temperatuur, een uitstekend contrast biedt tussen de heldere en troebele toestanden, en in complexe vormen geprint kan worden. Hoewel dit materiaal nog niet in elk gebouw te vinden is, biedt de studie een duidelijke weg vooruit. Het laat zien dat door de chemie zorgvuldig af te stemmen en gebruik te maken van hernieuwbare ingrediënten, het mogelijk is om slimme ramen te maken die zowel hoogwaardig als betaalbaar zijn. Deze aanpak brengt de technologie dichter bij de realiteit, en biedt een toekomst waarin onze gebouwen zelfstandig kunnen ademen en zich aan het weer kunnen aanpassen, waardoor energie wordt bespaard en we comfortabel blijven zonder een enkele elektrische schakelaar.