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

Resumo Técnico: Revestimentos de Esponja de Polidimetilsiloxano (PDMS) Operados por Solvente para Janelas Inteligentes de Transmissão Ajustável

Definição do Problema
Os sistemas de aquecimento e arrefecimento representam aproximadamente 30% do consumo global de energia, sendo as janelas os principais locais de troca térmica. As tecnologias de janelas inteligentes existentes, como os sistemas eletrocrômicos, termocrômicos e de cristais líquidos dispersos, enfrentam barreções significativas para a adoção generalizada. Estas incluem altos custos de produção, métodos de fabricação complexos, preocupações com toxicidade, sensibilidade às condições ambientais e durabilidade limitada. Além disso, embora as tecnologias de arrefecimento radiativo ofereçam promessas, elas dependem frequentemente de materiais nanoporosos caros. Existe uma necessidade crítica de uma alternativa sustentável, escalável e de baixo custo que possa regular dinamicamente a transferência de luz e calor sem sistemas de controlo externo complexos.

Metodologia
Os autores desenvolveram um revestimento de janela inteligente ajustável baseado em esponjas de Polidimetilsiloxano (PDMS). O processo de fabricação utiliza um método de "moldagem por açúcar" simples e ecologicamente correto:

1. Síntese de Materiais: Uma mistura de pré-polímero de PDMS, um agente de cura e açúcar granulado é preparada. O açúcar atua como um molde removível para criar uma estrutura porosa.
2. Otimização: Parâmetros fundamentais foram sistematicamente otimizados para equilibrar a resistência mecânica, o comportamento de inchamento e o desempenho ótico. A formulação ótima foi determinada como sendo uma proporção de peso de PDMS:agente de cura:açúcar de 10:1:4, utilizando grânulos de açúcar com tamanho de 500–200 µm.
3. Aplicação do Revestimento: A mistura foi vertida sobre substratos de vidro, curada a 80°C durante 3 horas, e o molde de açúcar foi removido via lavagem por ultrassom com água, deixando uma camada de esponja de PDMS (aprox. 0,57 mm de espessura) aderida ao vidro.
4. Mecanismo de Ajustabilidade: As propriedades óticas são controladas pela infusão e libertação de um solvente. No estado seco, os poros preenchidos com ar criam um desajuste de índice de refração ($\Delta n \approx 0,42$) entre o PDMS ($n \approx 1,42$) e o ar ($n \approx 1,0$), causando dispersão de luz e uma aparência opaca. Após a infusão com óleo de silicone ($n \approx 1,40$), a diferença de índice de refração é minimizada ($\Delta n \approx 0,02$), tornando o revestimento transparente.

Principais Resultados

• Desempenho Ótico: O vidro revestido com a esponja de PDMS exibe uma alternância reversível entre os estados opaco e transparente.
  • Estado Opaco (Seco): Bloqueia 84,6% da luz solar.
  • Estado Transparente (Infundido com Óleo de Silicone): Permite a transmissão de 84,8% da luz (bloqueando apenas 15,2%), comportando-se de forma semelhante ao vidro não revestido.
  • Seleção de Solvente: Embora o hexanol tenha proporcionado uma transmitância ligeiramente superior (~100%), o óleo de silicone foi selecionado como o solvente ideal devido ao seu perfil de segurança, razão de inchamento moderada (27%) e alta transmitância (86%).
• Regulação Térmica: Sob irradiação IR (simulando calor solar), o estado opaco demonstrou uma diferença de temperatura ($\Delta T$) significativa de 4,40 ± 1,05 °C entre as superfícies frontal e traseira, bloqueando eficazmente o calor. Em contraste, o estado transparente apresentou um $\Delta T$ de apenas 0,83 ± 0,15 °C, permitindo a transmissão de calor de forma semelhante ao vidro não revestido.
• Durabilidade e Estabilidade:
  • Mecânica: Os revestimentos resistiram a 200 ciclos de abrasão mecânica com uma carga de 20 g em lixa de granulação 600 sem delaminação ou deformação significativa.
  • Química: Os revestimentos mantiveram-se estáveis após imersão em soluções fortemente ácidas (pH 1) e alcalinas (pH 13).
  • Longo Prazo: As amostras mantiveram a integridade estrutural e o desempenho após 6 meses de exposição ao óleo de silicone.
• Versatilidade: O sistema foi aplicado com sucesso em substratos de vidro de várias formas e geometrias, demonstrando escalabilidade.

Significância e Alegações
O artigo afirma apresentar a primeira otimização detalhada de um sistema baseado em esponja aplicado a superfícies de vidro para aplicações de janelas inteligentes. Os autores destacam várias vantagens sobre os sistemas de última geração:

1. Simplicidade e Custo: A fabricação baseia-se em materiais prontamente disponíveis e de baixo custo (PDMS, açúcar, óleo de silicone) e evita produtos químicos perigosos ou sínteses complexas.
2. Independência Ambiental: Ao contrário dos materiais termocrómicos (ex: VO₂ ou pNIPAm) que requerem limiares de temperatura específicos para mudar, este sistema opera via infusão de solvente, oferecendo um desempenho consistente independentemente das flutuações da temperatura ambiente.
3. Dupla Funcionalidade: O revestimento fornece controlo dinâmico tanto sobre a transmissão de luz solar como sobre o bloqueio de calor, alternando entre um estado opaco de bloqueio de calor e um estado transparente de transmissão de calor.
4. Robustez: O sistema demonstra alta durabilidade mecânica e química, abordando limitações comuns das tecnologias de janelas inteligentes existentes.

Os autores reconhecem limitações, especificamente que o estado opaco limita a visibilidade e que o sistema atualmente requer um mecanismo externo (como bombas) para injetar e retirar o solvente. No entanto, eles defendem que esta plataforma oferece uma solução viável e de baixo custo para a eficiência energética em aplicações onde a transparência total não é estritamente necessária.