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Sep 17, 2023

MIT が自己開発する

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MITの研究チームは、透明から不透明に切り替えることができる窓を作る新しい方法を開発しました。これにより、暑い日に太陽光を遮断してエネルギーを節約し、空調コストを削減できる可能性があります。 ガラスを黒くさせる他のシステムは存在しますが、新しい方法は、迅速な応答時間と低消費電力を組み合わせることで大きな利点をもたらします。

ガラスが透明から暗に、またはその逆に切り替わると、新しいシステムは新しい状態を維持するためにほとんど電力を必要としません。 他の素材とは異なり、電気を必要とするのは、再び切り替えるときだけです。

この結果は今週オンラインジャーナルChemに、MIT化学教授のミルチャ・ディンカ氏、博士課程の学生ハリド・アル・カービ氏、元ポスドクで現在ブランダイス大学助教授のケイシー・ウェイド氏らによる論文で報告される。

この新しい発見には、印加電圧に応じて色と透明度が変化するエレクトロクロミック材料が使用されているとディンカ氏は説明する。 これらは、一部の眼鏡に使用されている、光が明るくなると暗くなるフォトクロミック材料とはまったく異なります。 このような材料は、応答時間が非常に遅く、不透明度のレベルの変化が小さい傾向があります。

既存のエレクトロクロミック材料には同様の制限があり、ニッチな用途しか見つかっていません。 たとえば、ボーイング 787 航空機にはエレクトロクロミック窓があり、客室内に明るい太陽光が差し込むのを防ぐために暗くなります。 ディンカ氏は、電圧をオンにすると窓を暗くすることができるが、「スイッチを入れると、実際には窓が暗くなるまでに数分かかります。当然、もっと早くしたいと思うでしょう。」と述べています。

この速度が遅い理由は、材料内の変化がウィンドウ全体にマイナスの電荷を与える電子の動き、つまり電流に依存しているためです。 次に、プラスイオンが材料中を移動して電気的バランスを回復し、色の変化効果を生み出します。 しかし、電子は物質中を急速に流れますが、イオンははるかにゆっくりと移動するため、全体の反応速度が制限されます。

MIT チームは、電子とイオンの両方を非常に高速で伝導できる有機金属フレームワーク (MOF) と呼ばれるスポンジ状の材料を使用することで、この問題を克服しました。 このような材料は、その構造内にガスを蓄える能力があるとして約 20 年にわたって使用されてきましたが、MIT チームはそれらの電気的および光学的特性を利用した最初の研究者でした。

既存バージョンのセルフシェーディング マテリアルに関するもう 1 つの問題は、「完全な透明から、たとえば完全な黒に変化するマテリアルを入手するのが難しい」ことだと Dincă 氏は言います。 787 の窓ですら、不透明になるのではなく、濃い緑色に変わるだけです。

MOFに関するこれまでの研究では、ディンカと彼の学生らは、透明から青または緑の色合いに変化できる材料を作成していましたが、今回新たに報告された研究では、透明から青または緑の色合いまで変化できるコーティングを製造するという長年の目標を達成しました。完全に透明から黒に近い色まで（緑と赤の 2 つの補色をブレンドすることで得られます）。 この新しい材料は、有機材料と金属塩という 2 つの化合物を組み合わせて作られます。 混合すると、これらは自己集合して切り替え可能な材料の薄膜になります。

「比較的速いスイッチング時間と黒に近い色というこの 2 つの組み合わせが人々を本当に興奮させたのです」とディンカ氏は言います。

新しい窓には、まぶしさを防ぐだけではなく、それ以上の効果がある可能性があると彼は言います。 「これらは、暑い気候の窓がたくさんある建物の空調の必要性を大幅に減らすことで、かなりのエネルギー節約につながる可能性があります」と彼は言います。 「太陽が窓から差し込んでいるときにスイッチを入れて暗くすることもできます。あるいは、自動的に建物のその面全体を一度に暗くすることもできます」と彼は言います。

材料の特性は実験室環境で実証されましたが、チームの次のステップは、さらなるテストのための小規模なデバイス、つまり 1 インチ四方のサンプルを作成し、潜在的な投資家に動作原理を実証することです。テクノロジーを利用し、そのような窓の製造コストがいくらになるかを判断するのに役立ちます。

ディンカ氏は、予備テストで判明したことを実証するには、さらなるテストも必要であると述べています。つまり、スイッチがオンになって材料の色が変わると、新しい状態を維持するためにそれ以上の電力は必要ないということです。 透明でも不透明でも、スイッチを入れて素材を元の状態に戻すまで、追加の力は必要ありません。 対照的に、既存のエレクトロクロミック材料の多くは、連続的な電圧入力を必要とします。

ディンカ氏によると、この材料はスマートウィンドウに加えて、電子インクのようなディスプレイ（Kindleなどのデバイスで使用され、MITが開発した技術に基づいている）に似ているが、ある種の低電力ディスプレイにも使用できる可能性があるという。全く異なるアプローチ。

このプロジェクトには関与していないノースウェスタン大学の化学研究教授であるオマール・K・ファルハ氏は、「ディンカ・グループの新しい論文を開くたびに、素晴らしい発見やよく練られた科学について読むことが保証されています。この論文も例外ではありません。」 同氏は、この材料のスイッチング時間が比較的速いことを考えると、「次世代ドリームライナー [787] がエレクトロクロミックウィンドウに MOF を使用できない理由は見当たりません」と付け加えた。

おそらく驚くことではないかもしれないが、この研究は、そのような遮光窓が特に役立つ地域の組織、つまりMITとの協力協定を通じて、アラブ首長国連邦に拠点を置くマスダール研究所から資金の一部を提供された。 この研究は、エネルギーフロンティアセンターであるエキシトニクスセンターを通じて、米国エネルギー省からも支援を受けています。

CNBCのロバート・フェリス記者は、MITの研究者が窓を透明から不透明に移行できる新技術を開発したと書いている。 「このようなソリューションは、現在世界中でブームになっている空調需要を大幅に削減する可能性があります」とフェリス氏は書いています。

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