الكيمياء والصيدلة > كيمياء

كيف يمكن أن يصبح الزجاج الذكي أكثر ذكاء؟

الزجاج الذكي هو فئة من مواد التزجيج التي تختلف عن الزجاج العادي في خصائص التحكم في الضوء إستجابةً للمحفزات الخارجية (1). وهو يتغير أيضًا ببطء بين الزجاج الشفاف والعاتم عند قلب مفتاح التحكم. ويعد الزجاج الذكي منتجًا موفرًا للطاقة ويستخدم في نوافذ السيارات الحديثة والمباني والطائرات (2). 

ويمكن ضبط الزجاج الذكي يدويًّا أو تلقائيًّا للتحكم في كمية الضوء والوهج والحرارة التي تمر عبر النافذة. فمثلًا يمكن استخدام الزجاج الذكي لتقليل الحاجة إلى تكييف الهواء في أثناء أشهر الصيف والتدفئة في الشتاء (1)؛ إذ تعمل النوافذ الذكية على تقليل استهلاك الكهرباء المرتبط بتبريد المباني عن طريق منع الإشعاع الحراري من الشمس أو الحرارة من دخول المباني (2).

وللزجاج الذكي عدة أصناف تبعًا لنوع المحفز الذي تستجيب له، فمنها ما يستجيب للضوء ومنها ما يستجيب للحرارة أو التيار الكهربائي (1)، وهذه الأنواع هي:

- Photochromich Glass (PC)

- Thermochromic Glass (TC)

- Electro Chromic Glass (EC)

- Suspended Particle Devices (SPD)

- Polymer Dispersed Liquid Crystal Devices (PDLC)

 
ويستغرق الزجاج الذكي الأنموذجي عدة دقائق للوصول من الحالة المضيئة إلى حالته المظلمة، وبمرور الوقت والتبديل بين دورات الضوء والظلام تتدهور جودة الصبغة الموجودة في الزجاج. ولتجاوز هذه المشكلة ابتكر الكيميائيون في جامعة ولاية كولورادو حلًّا قد يزيد من سرعة الزجاج الذكي ويقوي متانته من خلال توفير فهم أفضل لآلية عمل الزجاج الذكي على المقياس النانوي (2).

وعُرِض التصميم النانوي البديل للزجاج الذكي في بحث نشر في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. واستُخدم في هذه الدراسة الزجاج الذكي من صنف electrochromic*، الذي يعمل باستخدام الجهد الكهربائي لدفع أيونات الليثيوم عبر شرائح رقيقة من مادة أكسيد التنغستن (2)، وأكسيد التنغستن هو أحد الأكاسيد التي تمتص الضوء عند إدخال الشحنة إليها (3).

ودرس الباحثون على وجه التحديد الجسيمات النانوية من أكسيد التنغستن، وكشفت تجاربهم أن الجسيمات النانوية المفردة في حد ذاتها تلمع أسرع بأربع مرات من الشرائح المكونة من الجسيمات النانوية نفسها، وذلك لأن الوصلات ما بين شرائح الجسيمات النانوية تحجز أيونات الليثيوم مما يبطئ سلوك التصبغ، وبمرور الوقت تؤدي المصائد الأيونية إلى تدهور الأداء أيضًا (2).

ولدعم النظرية ودراسة كيفية امتصاص الضوء وبعثرته بواسطة الجسيمات النانوية، صنع الباحثون عينات حاوية على كميات مختلفة من الجسيمات النانوية التي وضعوها في عيناتهم الأولى وشاهدوا كيفية تغير سلوكيات التصبغ مع ازدياد اتصال الجسيمات النانوية مع بعضها البعض. ثم استخدموا المسح المجهري الإلكتروني للحصول على صور عالية الدقة لطول الجسيمات النانوية وعرضها وتباعدها وبذلك تمكنوا من معرفة عدد الجسيمات التي تجمعت معًا والتي كانت موزعة على حدة.

وبناءً على النتائج التجريبية، اقترح الباحثون أنه يمكن تحسين أداء الزجاج الذكي بصنع مادة قائمة على الجسيمات النانوية مع جزيئات متباعدة على نحوٍ مدروس لتجنب حدوث الاصطياد الأيوني.

وتقدم تقنية التصوير الخاصة بهذه الدراسة طريقة جديدة لربط بنية الجسيمات النانوية وخصائصها؛ التي أدت إلى تحسين أداء النافذة الذكية بصفتها أحد تطبيقاتها. ولكن الفائدة الأكبر قد تحدث عند تطبيق هذه التقنيات في البطاريات وخلايا الوقود والمكثفات وأجهزة الاستشعار (2).

*وهي مجموعة من المواد التي يتغير لونها أو درجة عتامتها عند تعريضها لتيار كهربائي (1).

المصادر: 

1. Casini M. Smart windows for energy efficiency of buildings. International Journal of Civil and Structural Engineering– [Internet]. 2015 [cited 25 November 2020];2(1). Available from: هنا

2. Evans C, Ellingworth A, J. Cashen C, R. Weinberger C, B. Sambur J. Influence of single-nanoparticle electrochromic dynamics on the durability and speed of smart windows. PNAS [Internet]. 2019 [cited 25 November 2020];. Available from: هنا

3. Pacheco-Torgal F, Czarnecki L, Pisello A, Cabeza L, Goran-Granqvist C. Eco-efficient materials for reducing cooling needs in buildings and construction. Duxford: Woodhead Publishing; 2015.