Las ventanas inteligentes cambian automáticamente la transparencia cuando se aplica un voltaje. Sin embargo, una de las razones por las que no están más extendidos es que el polímero en el interior se expande y encoge drásticamente con cada carga. Los investigadores de la Universidad de Purdue han denominado a este efecto "respiración mecánica".

"De nuestros experimentos, puede expandirse hasta un 30 por ciento en volumen, "dijo Xiaokang Wang, un doctorado estudiante bajo Kejie Zhao, un profesor asistente de ingeniería mecánica. "Eso es una cantidad enorme. Estos ciclos de expansión-contracción ejercen una gran tensión y tensión en los materiales de las ventanas. Hace que las capas de la ventana se deslaminen, y luego la ventana inteligente no funciona ".

El artículo de Wang sobre "respiración mecánica" ha sido publicado en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Las ventanas inteligentes vienen en muchas configuraciones diferentes, pero los más populares se llaman dispositivos electrocrómicos porque cambian de color cuando se aplica un voltaje. En el avión Boeing 787 Dreamliner, por ejemplo, los pasajeros pueden ajustar gradualmente la transparencia de sus ventanas mediante electrocromáticos. Ahora se encuentran disponibles ventanas similares para instalaciones a gran escala en edificios, programado para oscurecerse gradualmente en los días soleados para reducir los costos de energía.

Una ventana inteligente electrocrómica típica tiene cinco capas, con dos electrodos a cada lado, una capa de almacenamiento de iones, una capa electrocrómica, y un electrolito en el medio. Jianguo Mei, profesor asistente de química orgánica en Purdue, había estado experimentando con diferentes recetas químicas para el material electrocrómico de película delgada con el fin de mejorar la confiabilidad de la ventana. Pero la estructura laminada de una ventana inteligente dificulta el estudio de los componentes individuales durante el funcionamiento; todo el sustrato de cinco capas tiene solo 500 nanómetros de espesor, menos del 1% del grosor de un cabello humano.

Mei solicitó la ayuda de Zhao para evaluar las propiedades mecánicas de la película a nanoescala. Zhao y Wang se sorprendieron por las pruebas iniciales.

"El material se expandió hasta un 30 por ciento en volumen, pero también se volvió la mitad de elástico y la mitad de duro, "Dijo Wang.

Esta "respiración mecánica" hizo que el material se arrugara y empujara contra las otras capas del sustrato. Las capas exteriores se deslaminaron, impidiendo que los electrones fluyan y provocando que el dispositivo electrocrómico deje de funcionar.

"En nuestros experimentos con muestras sin tratar, vimos fallas después de solo 100 ciclos, "Dijo Wang.

Comenzaron a ajustar y fortalecer el material del sustrato del electrodo, áspera la superficie con nanopartículas de sílice. Esta mayor fiabilidad mecánica, sobreviviendo hasta 8, 000 ciclos. Pero no es suficiente.

"Estos dispositivos deben poder soportar más de 200, 000 ciclos, "Dijo Wang." ¡Esa es una gran brecha! "

Wang y Zhao, junto con el grupo de Mei en el Departamento de Química, continúan sus estudios con la esperanza de que estos dispositivos electrocrómicos puedan hacerse más fiables.

"De nuestros experimentos, estamos construyendo nuevos modelos teóricos, ", Dijo Wang." Junto con científicos y químicos de materiales, queremos encontrar nuevos materiales, nuevos métodos de procesamiento de materiales, y nuevos diseños mecánicos para lograr una vida útil mucho mayor de estos dispositivos ".

Las ventanas inteligentes tienen el potencial de ahorrar grandes cantidades de energía, convirtiéndose en una parte normal y confiable de los hogares, oficinas y vehiculos. Pero hasta que se mejore la confiabilidad, Los investigadores de Purdue continuarán su trabajo.

"Puedo ver un futuro en el que paredes enteras serán ventanas inteligentes electrocrómicas, Wang dijo. La gente puede disfrutar de la belleza del aire libre mientras reduce el consumo de energía al mismo tiempo. ¡Es beneficioso para todos! "