Inżynieria materiałowa. Inteligentne szkło o zmiennych właściwościach optycznych

2019-01-19 22:37 dr inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung, Politechnika Warszawska
szkło dynamiczne
Autor: SAGE Electrochromics, Inc. Inżynieria materiałowa i SageGlass - szkło dynamiczne zainstalowane w budynku rządowym w Utrechcie, Holandia.

Inżynieria materiałowa rozwija się błyskawicznie. Wśród wielu innowacyjnych rozwiązań z dziedziny inżynierii materiałowej uwagę zwraca grupa materiałów o zmiennych właściwościach fizycznych. Określane są anglojęzycznym terminem smart. Co potrafią inteligentne materiały, np. szkło, z którego buduje się fasady interaktywne.

Inżynieria materiałowa - materiały typu smart

Tego typu materiały wyróżnia zdolność do reagowania na zmiany w otoczeniu wywoływane określonym impulsem, np. termicznym, świetlnym, chemicznym, elektrycznym. Wówczas w ich wewnętrznej strukturze materiału zachodzi natychmiastowa i przewidywalna zmiana.
Dzięki rozwojowi inżynierii materiałowej, produkty smart stosowane są coraz szerzej w różnych dziedzinach przemysłu, np. elektronicznym, sportowym, medycznym, motoryzacyjnym. Ich wykorzystanie w budownictwie jest jeszcze relatywnie niewielkie. Najliczniej reprezentowane są w grupie szkieł budowlanych, które dzięki nowoczesnym technologiom inżynierii materiałowej mają zdolność regulacji dostępu promieniowania słonecznego. Ta cenna właściwość pozwala efektywniej niż dotychczas gospodarować w budynku energią cieplną i świetlną pochodzącą ze słońca. Szkła budowlane tego rodzaju nazywane są w języku angielskim switchable glass, co oddaje sposób ich działania. Impuls powoduje widzialny efekt – zmianę przezierności lub koloru szkła. W istocie zaś dochodzi do modyfikacji właściwości w zakresie absorbowania, przewodzenia lub odbijania promieniowania świetlnego.

Istnieje wiele rodzajów szkła o zmiennych właściwościach. Ich nazwy łączą w sobie informacje na temat impulsu (pierwszy człon nazwy) i efektu, jaki wywołuje (drugi człon nazwy). Impulsem może być np. zmiana temperatury (termo-), światła (foto-), czynnik elektryczny (elektro-) lub chemiczny (chemo-). Efektem zaś, w przypadku szkła, zmiana koloru (-chromowy bądź -chromatyczny) lub innych właściwości optycznych, najczęściej objawiających się matowieniem (-tropowy). I tak np. szkło fotochromowe zmienia barwę pod wpływem światła, a elektrotropowe matowieje wskutek działania impulsu elektrycznego.

Podstawowy podział szkła typu smart wyróżnia dwie grupy rodzajowe:

  • pierwsza z nich obejmuje wyroby, których działanie warunkuje impuls pochodzący z otoczenia, niepodlegający kontroli, np. temperatura powietrza lub natężenie światła słonecznego. Szkło zmienia się samoczynnie, reagując na bodźce z otoczenia.
  • druga grupa to wyroby działające pod wpływem impulsu kontrolowanego, np. elektrycznego. Najtrafniej określa je termin switchable, gdyż zmianę można wywołać na życzenie, niezależnie od uwarunkowań zewnętrznych.

Poniżej zostanie omówionych kilka rodzajów szkła (z obu wymienionych grup), które stopniowo znajdują zastosowanie w budownictwie jako materiał fasadowy.

Inżynieria materiałowa - szkło termotropowe

Szkło termotropowe reaguje na temperaturę otoczenia i na skutek jej wzrostu ulega zmatowieniu. Dzięki tej właściwości dochodzi do samoczynnego zahamowania przenikania promieniowania słonecznego do wnętrza przez powierzchnię szklenia, gdy temperatura powietrza w otoczeniu osiągnie określoną wartość (ustalana jest ona podczas produkcji i nie ma możliwości jej zmiany w gotowym wyrobie). Można zatem uniknąć problemu przegrzewania i prześwietlania wnętrz w porach intensywnej insolacji bez zastosowania jakichkolwiek dodatkowych systemów przeciwsłonecznych.

Aby uzyskać taki efekt, wykorzystuje się polimery termotropowe, które na zmianę temperatury reagują przekształceniem konfiguracji cząstek w swojej wewnętrznej strukturze. Poniżej temperatury progowej tworzą ją rozciągnięte, swobodne łańcuchy przepuszczające promieniowanie słoneczne. Po jej przekroczeniu grupują się i lokalnie zagęszczają, powodując wizualny efekt zmętnienia, a tym samym blokadę dostępu promieniowania (rys.). Wahania w zakresie przepuszczalności światła wynoszą od 80 do 90% w stanie przezroczystym, od 10 do 50% w stanie zmatowienia, zaś w zakresie przepuszczalności energii słonecznej oscylują między 80–90% a 5–40%.

szkło termotropowe
Autor: Katarzyna Zielonko-Jung Schemat działania szkła termotropowego

Badania nad szkłem termotropowym prowadzone są m.in. w Instytucie Fizyki Budowli Fraunhofera IBP w Stuttgarcie i w berlińskim Instytucie Materiałów Stosowanych WITEGA. W latach 90. XX wieku wprowadzono na rynek kilka produktów z tego rodzaju szkła, przeznaczonych do budownictwa, np. system Cloud Gel amerykańskiej firmy Suntek oraz Tald i T-Opal z IPB. Jedną z technologii produkcji jest wykorzystanie hydrożelu, w którym wskutek zawartości wody dochodzi do zmiany stanu skupienia. Temperatura progowa może zostać ustalona na poziomie mieszczącym się w zakresie od kilku do kilkudziesięciu stopni, np. 25–40°C dla produktu Cloud Gel i 5–60°C dla Tald. Stosuje się także bezwodne mieszanki polimerowe, w których zainicjowanie procesu mętnienia może zachodzić w bardzo szerokim przedziale temperatur – między 25 a 120°C (w zależności od zawartości wykorzystanej mieszanki). Wyższe zakresy temperaturowe umożliwiają zastosowanie tego rodzaju szkła do ochrony przed przegrzewaniem kolektorów słonecznych. Pomimo że technologia polimerów termotropowych uznawana jest za tanią, to nie została ona do dziś rozpowszechniona. Wciąż trudno jest pokonać bariery techniczne związane np. z odpornością na czynniki otoczenia, szczelnością przy produktach wykorzystujących hydrożel czy równomiernością efektu zmatowienia.

Inżynieria materiałowa - szkło fotochromatyczne (fotochromowe)

Szkło fotochromatyczne (fotochromowe) zmienia kolor pod wpływem światła. Dotyczy to zakresu promieniowania ultrafioletowego oraz krótkofalowego pasma światła widzialnego. Najbardziej znanym produktem tego rodzaju jest szkło stosowane w okularach, które pod wpływem słońca samoczynnie ciemnieje do koloru brązowego lub szarego. Natomiast po ustaniu działania impulsu świetlnego wraca do stanu poprzedniego. Proces ten zachodzi wskutek wprowadzenia do struktury szkła kryształków halogenku srebra. Transfer podobnej technologii na pole szkła budowlanego pozostaje od kilkunastu lat w fazie rozwiązań prototypowych. Najbardziej znane są prace badawcze Instytutu Fraunhofera IBP w Stuttgarcie.

Problemy technologiczne związane z przeniesieniem tego rozwiązania do zastosowań budowlanych wynikają przede wszystkim z ograniczenia wielkości tafli, brakiem płynności zmiany koloru oraz stosunkowo długim czasem reakcji – tym dłuższym, im większa jest powierzchnia szklenia. Prowadzone badania dotyczą m.in. użycia tlenków tytanu i wolframu oraz molekuł barwiących (w tej technologii szkło barwi się na niebiesko), a także wykorzystania katalizatorów (np. platyny), które przyspieszają reakcję. Testowane są również rozwiązania łączące cechy szkła foto- i elektrochromatycznego. Technologia ta umożliwia wprowadzenie dodatkowo impulsu elektrycznego, który pozwala regulować stopień i tempo zabarwienia szkła niezależnie od rozmiaru tafli i warunków świetlnych. Jest to istotne, gdyż np. w okresie zimowym zablokowanie dostępu promieniowania słonecznego do wnętrza jest niekorzystne – uniemożliwia pasywne dogrzewanie pomieszczeń. Technologia szkła fotoelektrochromatycznego jest skomplikowana i kosztowna, dlatego jego zastosowania nie wychodzą poza fazę prototypową.

Inżynieria materiałowa - szkło elektrochromatyczne

Szkła typu smart, reagujące na impuls elektryczny, zmieniają swoje właściwości niezależnie od warunków otoczenia. Szyby elektrochromatyczne (elektrochromowe) zmieniają kolor i ulegają zaciemnieniu. Najczęściej zabarwiają się na niebiesko, ale paleta kolorów w ciągu ostatnich lat znacznie się wzbogaciła (np. o zieleń, szarość, brąz). Szkło tego rodzaju składa się z dwóch warstw przezroczystych przewodników, elektrolitu, warstwy elektrochromatycznej (elektrody czynnej) oraz magazynu jonów (elektrody biernej). Zmiana barwy następuje wskutek przemieszczania się jonów pomiędzy elektrodami pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego. Ich odpływ z warstwy elektrochromatycznej powoduje jej ściemnienie. Natomiast odwrócenie kierunków pola elektrycznego wymusza powrót jonów do warstwy elektrochromatycznej, dzięki czemu staje się ona ponownie przejrzysta (rys.).

szkło elektochromatyczne działanie
Autor: Katarzyna Zielonko-Jung Schemat działania szkła elektrochromatycznego

Ze względu na to, że elektrody przez jakiś czas pozostają naładowane, to przyłożenie napięcia jest wymagane jedynie podczas procesu przepływu jonów. Technologia ta wykorzystywana jest m.in. w produkcji lusterek samochodowych nowej generacji.
W kategorii produktów budowlanych przeznaczonych do rozwiązań elewacyjnych wymienić można system SageGlass, oferowany od kilkunastu lat przez firmę Saint Gobain. Rozwiązanie to, w ciągu 7–12 minut, umożliwia stopniowe zmniejszenie przepuszczalności światła w zakresie od 60 (szkło przezroczyste) do 1% (całkowite jego zabarwienie). Tempo zmiany koloru zależy od temperatury powietrza i wielkości szklenia. Dostępne maksymalne wymiary szyb były początkowo ograniczone (55/75 cm), ale stopniowo ulegały zwiększeniu. Obecnie możliwe jest wyprodukowanie tafli o wymiarach 150/300 cm. Szeroka gama kolorów i ich odcieni gwarantuje dostosowanie produktu do wizji kolorystycznej budynku i jego wnętrza. Szkło występuje w postaci zestawów termoizolacyjnych dwu- i trójszybowych, charakteryzujących się bardzo niskim współczynnikiem przenikania ciepła U = 0,28 W/(m²K).

Inżynieria materiałowa - szkło elektrotropowe

Zmianę właściwości szkła termotropowego wywołuje także impuls elektryczny. Nie zmienia ono jednak koloru, a jedynie matowieje. Staje się mlecznobiałe, rzadziej dodatkowo lekko zabarwione. Szkła tego rodzaju najczęściej występują pod nazwą, która wskazuje na wykorzystaną w nich technologię produkcji. Dwie najbardziej rozpowszechnione to: technologia ciekłych kryształów LCD (ang. liquid crystal devices) oraz zawiesiny cząstek SPD (ang. suspended particle devices), które stosowane są w najnowszych produktach przemysłu elektronicznego, np. e-papierze i różnego rodzaju wyświetlaczach.

Najbardziej znane ze wszystkich rodzajów szkła smart jest LCD. Wynika to z faktu, że technologię ciekłych kryształów najłatwiej wprowadzić do masowej produkcji. Ten typ szkła występuje także pod inną nazwą, pochodzącą od pełnego mokreślenia zastosowanej technologii PDLCD (ang. polimer dispersed liquid crystal devices).

W szkle elektrotropowym przyłożenie napięcia powoduje polaryzację cząstek w warstwie LC, wskutek czego staje się ono przezroczyste. Przerwanie napięcia sprawia, że cząsteczki wracają do swobodnego układu i następuje załamywanie promieni świetlnych, w efekcie czego szkło matowieje (rys.). Tak więc w przeciwieństwie do szkła elektrochromatycznego, utrzymanie szyby w stanie przezroczystym wymaga stałego działania impulsu elektrycznego. Przechodzenie z jednego stanu w drugi trwa znacznie krócej, najwyżej kilka sekund, i jest płynne. Szyba staje się całkowicie nieprzezierna i biała. Możliwe jest wykorzystanie jej jako ekranu do projekcji obrazów. System ten najlepiej ze wszystkich rodzajów szkła typu smart nadaje się do tworzenia tzw. mediafasad, które w dzień są przezroczyste, a wieczorem mogą się przeistaczać w wielkie ekrany. Istnieje także możliwość uzyskiwania stanów pośrednich między całkowitą przejrzystością i zmętnieniem przez regulację przykładanego napięcia (jego mniejsza siła powoduje polaryzację jedynie części cząstek).

szkło LCD działanie
Autor: Katarzyna Zielonko-Jung Schemat działania szkła LCD

Rynkowa oferta szklenia LCD, w porównaniu z innymi opisywanymi rodzajami szkła, jest stosunkowo bogata. Jednak, co istotne, stale się powiększa i doskonali pod względem jakości. Najbardziej znanym produktem w Polsce jest system PRIVA-LITE oferowany przez firmę Saint-Gobain. Podobny wyrób o nazwie UMU produkuje Pilkington, zaś jako Polyvision amerykański Polytronix. Najczęściej tego typu szklenie wykorzystywane jest w elementach działowych we wnętrzach.

Producenci podkreślają wygodę jego zastosowania w salach konferencyjnych, które bardzo często lokalizowane są w centralnej części kondygnacji biurowych i pozbawione są bezpośredniego dostępu do okien. Przeszklone ściany takich sal sprawiają, że stają się one częścią otwartej przestrzeni i dociera do nich światło naturalne. Możliwość regulacji stopnia przezierności ścian „na życzenie” ułatwia wykorzystywanie takich pomieszczeń, gwarantując zaciemnienie i poczucie prywatności ich użytkowników w stosownych momentach. Dodatkowo powierzchnie tego typu mogą pełnić funkcje ekranów projekcyjnych. Uzyskany obraz ma dużą rozdzielczość i kontrast. Po umieszczeniu projektora z tyłu stworzonego ekranu szkło skutecznie stłumi szum urządzenia i całkowicie go ukryje. Możliwe jest także samodzielne sterowanie obrazem za pomocą ekranu dotykowego.

Szkło LCD nadaje się także do zastosowań zewnętrznych jako element zestawu termoizolacyjnego dwu- lub trójszybowego. Za zmienność przezierności odpowiedzialna jest jedynie cienka warstwa, dlatego też może ona występować w dowolnej kombinacji z innymi powłokami funkcyjnymi, np. niskoemisyjną (ang. low-e), selektywnie regulującą dostęp promieniowania słonecznego (ang. solar-control) czy akustyczną. Istotną zaletą tej technologii jest możliwość wytworzenia filmu LCD jako osobnej warstwy, która nie musi być zespolona ze szkłem w procesie produkcji. Pozwala to na nanoszenie jej na istniejące systemy szklenia. Może być także stosowana w kombinacji z kolorowymi foliami lub farbami dekoracyjnymi, co umożliwi uzyskanie zróżnicowanych efektów plastycznych.

Postęp technologii LCD dotyczy także maksymalnych wymiarów tafli. Dla systemu PRIVA-LITE wynoszą one obecnie 150/320 cm, choć do niedawna oferowano je jako tafle o wielkości 100/300 cm, zatem stosunkowo niewielkie jak na potrzeby przeszkleń elewacyjnych. Mimo tego ilość zrealizowanych budynków z fasadami LCD jest wciąż znikoma. W materiałach reklamowych producentów znajdują się przykłady prywatnych rezydencji, w których wykorzystano szkło tego rodzaju jako ścianę zewnętrzną. Najbardziej znaną realizacją z użyciem PRIVA-LITE jest siedziba koncernu energetycznego VEAG w Berlinie (proj. Kry & Weber), gdzie przeszklono w tym systemie parter i pionowy pas elewacji. Każdy moduł okienny zaopatrzono w projektor umieszczony po wewnętrznej stronie obiektu. W ciągu dnia szyby są przezroczyste lub matowe. Po zapadnięciu zmroku na elewacji wyświetlane są różnego rodzaju projekcje, przy czym możliwe jest pokazanie filmu, który przechodzi w sposób ciągły przez poszczególne moduły.
Kolejną realizacją z zastosowaniem systemu PRIVA-LITE na zewnętrz jest wysoki budynek o funkcji biurowo-usługowej – Chanel Tower w Tokio, w dzielnicy Ginza (proj. Peter Morino). Niemal cała elewacja szklana (ok. 910 m²) wykonana jest w tym systemie. Połączono ją z układem diod LED umieszczonych po wewnętrznej stronie. Dzięki nim w godzinach nocnych elewacja zamienia się w neon reklamowy firmy Chanel.

Konkurencyjnym produktem dla szyb LCD są systemy wykorzystujące technologię zawiesiny cząstek SPD (ang. suspended particle devices). Istota ich działania jest zbliżona do LCD. Szkło zespalane jest ze specjalną warstwą zawierającą zawiesinę swobodnie ułożonych cząstek. Taki układ powoduje absorpcję światła, a tym samym nieprzezierność szyby. Pod wpływem przyłożonego napięcia układ cząstek porządkuje się i nie stanowi już bariery dla promieni świetlnych, a szyba staje się przezroczysta (rys.). W technologii SPD efekt zmatowienia łączy się z zabarwieniem. Najczęściej szkło przyjmuje kolor niebieski, ale możliwe jest uzyskanie także innych barw (zieleń, brąz, szarość).
Podobnie jak w przypadku LCD istnieje możliwość modernizacji szklenia przez dodanie powłoki SPD, a także kombinacji z innymi powłokami funkcyjnymi (w tym także LCD).

Szkło SPD działanie
Autor: Katarzyna Zielonko-Jung Schemat działania szkła SPD

Opisane powyżej rodzaje szkła smart są najbardziej znane i zaawansowane w procesie wdrażania oraz rozpowszechniania. W rzeczywistości ich grupa jest znacznie bardziej liczna. Nieco mniej znanym, ale interesującym rozwiązaniem są np. szyby gazochromatyczne. Czynnikiem wywołującym zmianę jest aktywny gaz – rozcieńczony wodór, który przepływa przez pustkę między warstwami szklenia. Reaguje on z powłoką gazochromatyczną, zabarwiając ją na kolor ciemnoniebieski.
Powrót do stanu przezroczystego powodowany jest dostarczaniem tlenu. Dopływ gazów sterowany jest elektronicznie. Na uwagę zasługuje także system micro-blind, w którym szyba z przezroczystej staje się stopniowo nieprzezierna. Jednak zmiana ta nie zachodzi w strukturze materiałowej szkła, tak jak w rozwiązaniach opisanych powyżej (dlatego nie należą do grupy materiałów smart). Powierzchnia tafli pokryta jest warstwą mikrożaluzji w postaci metalowej folii z wyciętymi laserowo blaszkami, które zwijają się i w tym stanie są niewidoczne dla oka. Po przyłożeniu napięcia rozwijają się i szkło staje się nieprzepuszczalne. System został opatentowany w National Research Council w Kanadzie. Zakłada się, że będzie tańszy niż inne rozwiązania. Teoretycznie dostępny jest w nieograniczonej palecie barw.

Inżynieria materiałowa nowej generacji

Szkło o zmiennych właściwościach optycznych jest rozwiązaniem nowej generacji, które tworzy nową jakość użytkowania. Ma ono znaczenie przede wszystkim ze względu na możliwość efektywniejszego niż dotychczas wykorzystania energii słonecznej w budynkach oraz decydowania, w jakich okolicznościach ich wnętrza mają być otwarte na otoczenie, a w jakich nie. Wszystko to dzieje się za pomocą jednego, indywidualnie dobranego produktu, który nie wymaga uzupełniania innymi elementami. W przypadku tradycyjnych ścian kurtynowych właściwą ochronę przeciwsłoneczną można zapewnić przy pomocy zewnętrznych systemów zacieniających. Wymagają one jednak starannego projektu, podnoszą koszty realizacji fasady i zakłócają jej wizualną ciągłość.
Najbardziej uniwersalne wydaje się być szkło elektrotropowe w technologiach LCD i SPD. Ich działanie warunkowane impulsem elektrycznym jest niezależne od czynników otoczenia. Może być zatem sterowane indywidualnie według upodobań użytkowników lub automatycznie, zgodnie z założoną strategią, np. związaną z optymalnym wykorzystaniem energii słonecznej. Ten rodzaj szklenia ma stosunkowo niewiele ograniczeń technologicznych (np. zmiana zachodzi w nim najszybciej w porównaniu do innych systemów) i co szczególnie istotne, możliwa jest modernizacja istniejących fasad przez naniesienie na nie folii LCD lub SPD. Za wadę szkieł elektrotropowych można uznać konieczność stałego dostarczania energii elektrycznej w celu utrzymania szyb w stanie przezroczystym. Spośród systemów reagujących na zmiany otoczenia najbardziej interesujące jest szkło termotropowe (impulsem jest zmiana temperatury).


Jest ono bardziej zaawansowane w procesie rozpowszechniania niż szkło fotochromatyczne (impulsem jest światło), ma mniej ograniczeń technologicznych i jego produkcja jest tańsza. Jedną z niedogodności szkła samoczynnie zmieniającego właściwości jest brak możliwości kontrolowania przepływu promieniowania słonecznego. Okno zmienia kolor lub mętnieje pod wpływem warunków otoczenia także wtedy, gdy jest to niepożądane. Z tego względu systemy te znajdują zastosowanie w elementach, które nie odgrywają ważnej roli w utrzymywaniu wzrokowego kontaktu między wnętrzem a otoczeniem, np. świetliki dachowe, okna oświetlające wnętrze światłem górno-bocznym czy moduły ścian kurtynowych położone powyżej linii wzroku. W takiej sytuacji nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowej instalacji elektrycznej, jak w przypadku szkieł z grupy elektro-.

Oferta szkła typu smart staje się coraz bogatsza, a wprowadzane na rynek produkty są stopniowo udoskonalane np. pod względem czasu reakcji, jakości zabarwienia lub zmętnienia, maksymalnych rozmiarów tafli i dostępnych kształtów, odporności na czynniki zewnętrzne czy trwałości. Możliwości użytkowe szkła tego rodzaju wydają się bardzo atrakcyjne, podobnie jak efekt wizualny, który może współtworzyć wizję architektury dynamicznie zmieniającej się w czasie, niosącej przekaz informacyjny. Wciąż jednak są to produkty niszowe. Ilość realizacji choć stale rośnie, to jednak nadal jest niewielka. Podstawową barierą jest koszt wielokrotnie przewyższający ceny tradycyjnych szklanych ścian kurtynowych. Stąd większość realizacji ma charakter demonstracyjny, prestiżowy lub dotyczy elementów o stosunkowo niewielkiej skali, gdzie unikalne właściwości konkretnego rodzaju szkła smart mają duże znaczenie, np. w obiektach medycznych, dydaktycznych, wystawowych. Można jednak mieć nadzieję na stopniowe obniżenie kosztów wskazanych powyżej technologii, wzrost ich znaczenia i udziału w nowo projektowanych budynkach.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej