پنجره‌های هوشمند
جریان نور خورشید از طریق یک پنجره می‌تواند یک اتاق را گرم کند. به طور مثال در زمستان، زمانی که هزینه استفاده از سیستم‌های گرمایشی افزایش می‌یابد، مردم تمایل دارند که هزینه این گرمای اضافی را تحمل کنند. اما در تابستان، دفع این گرما هزینه سیستم‌های خنک کننده را افزایش می‌دهد و صاحبخانه می‌تواند برخی از هوای گرم را با کشیدن پرده و یا کاهش پرده‌ها حفظ کند. یا پنجره می‌تواند شفافیت خود را تغییر دهد، تا مقداری از نور عبوری از خود را مسدود کند. این ایده پنجره‌های هوشمند نام دارد.
برخی از پنجره‌های هوشمند در حال حاضر وجود دارد. آنها درست مثل نسخه‌های بزرگ LCD ها (دیودهای کریستال مایع) که در ساعت‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی یافت می‌شوند. هنگامی که جریان الکتریکی از طریق یک صفحه ال سی دی جریان می‌یابد، پوشش روی شیشه آن تیره می‌شود و قسمتی از نور را مسدود می‌کند. صاحب خانه می‌تواند توانایی مسدود کردن پنجره و یا کدورت را به سادگی با تغییر یک سوئیچ کنترل کند یا سنسور متصل به پنجره می‌تواند به طور خودکار جریان را کنترل کند، درست مانند یک ترموستات مورد استفاده برای کنترل اجاق گاز یا دستگاه تهویه هوا.
اما پنجره هوشمند جدید نیازی به چنین وسیله‌ای ندارد. زوآنگ گوا می‌گوید: این بستگی به درجه حرارت خارج از منزل دارد. او یک مهندس شیمی در دانشگاه علم و صنعت شرق چین در شانگهای است. تیم او یک مایع جدید را طراحی کردند که بین منفذ شیشه دوجداره قرار می‌گیرد.
نکته کلیدی: ژل حساس به حرارت
هر کره تنها بین 200 تا 700 نانومتر قطر دارد. این اندازه باعث می‌شود که قطر باریک ترین موی انسان حدود 24 تا 85 برابر بیشتر از هر کره باشد. این ژل حاوی پلیمر حساس به حرارت است (یک ماده شیمیایی ساخته شده از مولکول‌های زنجیره‌ای). همچنین حاوی آب و گلیسرول و یک نوع الکل است. آب و گلیسرول به صورت آزاد به پلیمر وصل می‌شوند. این باعث می‌شود که ژل حجم بیشتری بگیرد. این اتفاق همچنین تضمین می‌کند که گلوله‌های ژل با یکدیگر واکنش نشان نمی‌دهند تا یک توده بزرگی را تشکیل دهند.
در دستور العمل ژل که گوا و همکارانش از آن استفاده می‌کنند، در هر زمان که دمای بالاتر از 32 درجه سلسیوس (حدود 90 درجه فارنهایت) افزایش یابد، پلیمر تغییر می‌کند. در دماهای پایین، مولکول‌های پلیمری بلند و خطی باقی می‌مانند که این ساختار اجازه می‌دهد تا آنها در سراسر ژل حل شوند. در حال حاضر، مقدار زیادی نور می‌تواند از طریق ژل منتقل شود و این باعث می‌شود که روشن به نظر برسد. اما هنگامی که درجه حرارت ژل بالاتر از 32 درجه سانتیگراد باشد، مولکول‌های پلیمری به گویچه‌های کوچک متصل می‌شوند و اینها نمی‌توانند به ژل تبدیل شوند. این باعث می‌شود که ژل کدر شود و هنگامی که در میان مایع موجود در میان پنجره‌ها پراکنده می‌شود، این گویچه‌ها ورود قسمتی از نور را مسدود می‌کنند.
برای آزمایش این ماده، مهندسین جعبه‌های کوچکی را برای شبیه سازی اتاق‌های یک خانه ساخته بودند. در هر جعبه، آنها یک پنجره هوشمند نصب کردند. جعبه دوم نیز دارای یک پنجره پر شده از مایع بود، اما مایع آن حاوی هیچ محافظتی از پلیمر مسدود کننده نور نداشت.
پنجره هوشمند جدید یک چهارم یا حدود 25 درصد از انرژی قابل مشاهده و انرژی مادون قرمز (گرما) حاصل شده از یک لامپ خورشیدی را مسدود کرده است. گوا به خبرگزاری نشریه علوم دانش آموزان گفت: "این تغییرات را در درجه حرارت داخل جعبه ایجاد می‌کند." در جعبه دارای پنجره ساده، درجه حرارت داخل جعبه حاصل شده از لامپ 10 درجه سانتیگراد (18 درجه فارنهایت) کاهش یافت. او توضیح می‌دهد که عمدتا به این دلیل است که مایع بین شیشه قسمتی از انرژی نور را جذب می‌کند. اما پنجره هوشمند دمای آن را در 20 درجه سانتیگراد کاهش داد، به طور کامل دو برابر شد. در اینجا نیز مایع بین پنجره قسمتی از انرژی لامپ را جذب می‌کند. اما همانطور که گویچه‌های پر شده از پلیمر کدر شدند، انرژی بیشتری مسدود شد. هنگامی که مولکول‌های پلیمری آنها از بین می‌روند، گویچه‌ها دوباره شفاف می‌شوند. این اتفاق زمانی می‌افتد که آنها در دمای زیر 32 درجه سانتی گراد سرد می‌شوند.
چگونه می‌توان یک پنجره را هوشمند کرد؟
گوا می‌گوید، طراحی کابین‌هایی که نور بیشتری را مسدود می‌کنند، امکان پذیر است. هنگامی که تیمش ذرات کوچکی از یک ماده معدنی به نام اکسید وانادیوم را به پلیمر اضافه کردند، پنجره هوشمند جدید 40 درصد نور خورشید را مسدود کرد. گوا می‌گوید ممکن است که اساسا دما تعیین کند که پلیمر تغییر شکل دهد. آزمایشات نشان می‌دهد که افزایش نسبت گلیسرول در ژل، سبب می‌شود در هنگام کاهش دما پلیمر تغییر شکل دهد.
رابرت پرودوموم می‌گوید: ساخت این ماده و سپس استفاده از آن، می‌تواند کاربردی شود. او یک مهندس شیمی در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی است. اما پرودوموم می‌افزاید: مطالعه بیشتری برای دیدن اینکه آیا پنجره "هوشمند" این تیم واقعا یک ایده هوشمندانه است یا خیر، مورد نیاز است. در حالی که یک پنجره کدر مانع از ورود تابش نور می‌شود، اما این تنها راهی نیست که انرژی منتقل شود. بلکه مسیر دیگری نیز وجود دارد. در آن فرایند، وقتی اتم‌ها و مولکول‌ها به یکدیگر می‌رسند، انرژی منتقل می‌شود. در طی چنین برخوردهایی، ذرات سردتر دارای حرکتی آهسته‌تر، و ذرات گرم‌تر، پر انرژی هستند.
بنابراین، پرودوموم می‌گوید که پنجره‌های دارای این مایع ممکن است میزان کل حرارت انتقال یافته از طریق پنجره را افزایش دهند. فقط تحقیقات بیشتر می‌تواند این سوال را پاسخ دهد. او می‌گوید: "این به دانشمندان کمک می‌کند تا آنچه را که لازم است، پیدا کنند."
منبع: سایت ساینس نیوز فور استیودنتس
