Нанорешетки улучшили прозрачность материала для «умных» окон

Ученые нашли способ улучшить оптические свойства диоксида ванадия — материала, способного значительно менять свою прозрачность в зависимости от температуры. Так, нанесенные лазером на поверхность материала нанорешетки сделали его более прозрачным в видимом диапазоне, придали ему восприимчивость к поляризации света и при этом сохранили температурную чувствительность. Благодаря этому диоксид ванадия можно будет использовать для создания «умных» окон, автоматически регулирующих количество пропускаемого тепла и света, а также температурных датчиков. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.

Диоксид ванадия — перспективный материал для создания «умных» окон, прозрачность которых меняется в зависимости от температуры. Такие окна позволяют без дополнительного электропитания регулировать уровень освещенности и температуру в помещении. Однако на практике диоксид ванадия все еще не используется из-за того, что он недостаточно прозрачен в видимой области спектра. В результате «умное» окно, изготовленное из такого материала, будет зеленовато-желтого цвета, что выглядит неэстетично. Поэтому ученые ищут способы повысить прозрачность этого соединения.

Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Дальневосточного федерального университета (Владивосток) и Харбинского политехнического университета (Китай) предложили нанести на поверхность диоксида ванадия невидимые невооруженным глазом решетки. Они представляют собой чередующиеся «гребни» и «впадины», расстояние между которыми составляет примерно 100 нанометров — примерно в 30 раз меньше среднего размера бактериальной клетки.

Авторы обработали материал сверхкороткими лазерными импульсами, которые, взаимодействуя с оксидом ванадия, создали на его поверхности упорядоченные наноструктуры в виде гребней и впадин. Исследователи подчеркивают, что параметры такого «рисунка», например, частоту и глубину полос, формирующих решетку, можно менять, настраивая мощность, поляризацию и частоту лазерных импульсов.

Исследование полученных образцов показало, что лазерная обработка существенно повысила прозрачность материала в видимой области спектра. При температуре 30°С материал пропускал 82% лучей. При этом кристаллическая структура соединения не нарушилась, и оно сохранило термохромизм, то есть способность менять прозрачность при изменении температуры. Так, при нагревании до 100°С прозрачность материала падала, при этом сильнее всего — примерно на 70% — в ближнем инфракрасном диапазоне, который обеспечивает нагрев предметов. Благодаря этому окна из обработанного лазером диоксида ванадия позволят избежать излишнего нагрева помещений, в которых они будут установлены.

Более того, после лазерной обработки прозрачность материала стала сильно зависеть и от поляризации света. Поляризация показывает, как ориентирован в пространстве электрический вектор световой волны. Так, например, в случае солнечного света эти векторы разнонаправлены, и свет называют неполяризованным. Когда часть волн с разнонаправленными векторами «отсекают», например, с помощью поляризационных линз, свет становится поляризованным. Меняя поляризацию падающего света, исследователям удалось изменять прозрачность материала на 50%.