麻省理工學院科學家開發出更便宜的智能窗戶透明聚合物
2016-01-29 來源：中國聚合物網
麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一個能考慮到材料的彈性和厚度的預測材料透光量的新理論。基于這個理論，研究人員能夠成功地預測當類橡膠透明聚合物伸展和膨脹時，透明性的變化。
這項研究成果已發表在《Advanced Optical Materials》期刊。
麻省理工學院土木與環境工程系博士后López Jiménez表示，對原型聚合物結構更好的理解有助于開發智能窗戶材料更便宜的替代材料，智能窗戶是能夠調整入射光的表面。
“能自動對光做出反應的建筑物和窗戶，讓你能夠不必在取暖和空調方面花很多錢。然而問題是，為整個建筑物安裝這種材料太貴了。我們想尋找一種更簡單和便宜的方法控制透光量，通過延展一種非常簡單的材料，一種現有的透明聚合物。”
López Jiménez補充說，多層聚合物結構能夠用來覆蓋窗戶表面。設計師能夠利用這個理論來測量力的大小，并用于調整聚合物層的入射光量。研究小組包括López Jiménez；阿布扎比馬斯達爾科技研究院Shanmugam Kumar；土木與環境工程和機械工程副教授Pedro Reis。
當前的工作受到López Jiménez、Reis和Kumar相似研究的影響。在這個項目中，該團隊研究了PDMS基本塊的光傳輸特性，PDMS是一種多用途的類橡膠透明聚合物。在這種聚合物塊中發現了某些黑暗的區域，研究人員想弄清楚透過材料的光是否可以通過聚合物塊的形變進行調整。
“這是一個幸運的意外。我們只是在研究材料，很快就開始對如何預測得到正確數據而感興趣。”
研究團隊想要開發一種柔軟的有色復合物，在暴露于如力學化學或者電子力等外部刺激時，能夠變得透明或改變顏色。開發了一種矩形透明PDMS堆棧薄片，與含有黑色微小染料顆粒的溶液混合。處于未拉伸狀態時，材料看起來模糊，但當它被拉伸并像氣球一樣膨脹時，能夠進入更多的光。
在第一個實驗中，光通過已注入染料顆粒的聚合物結構，在沒有任何變形的條件下，透過材料的光量被測定。然后，這種聚合物在與光線垂直的方向延伸，聚合物厚度和穿過材料的光量被測定。測量結果與該研究小組基于比爾-朗伯定律預測結果相比較，比爾-朗伯定律是一個描述光通過一種具有特定性質材料方式的光學理論。該理論結合了實驗分析，得出一個基本方程來預測穿過發生機械變形PDMS結構的光量。
為了進一步驗證該方程，我們完成了一些其他實驗，當光從下面照射時，圓盤狀PDMS結構被固定住并像氣球一樣膨脹。研究者們確定了穿過該結構的光量，并觀察到當拉伸材料時有更多的光通過。他們還發現，光的強度與方程預測的結果一樣。
“當施加應變時，我們可以預測和表征光的變化。如果給我提供原始材料特性以及入射光的強度，我們能夠確切地知道在這種形變下有多少光通過。”
López Jiménez補充說，該方程未來可被用于調整具有更復雜紋理和表面材料的光透過率和透明度，。
“柔軟的彩色復合材料非常令人興奮，能夠為材料提供可轉換和調整的光學特性。應用這種相對簡單但可預測的機制是一項激動人心的挑戰，值得運用到具體工程應用中，比如通過智能窗戶控制室內光線。”土木與環境工程副教授Pedro Reis表示。
加州大學圣地亞哥分校機械和航空航天工程助理教授Shengqiang Cai表示，除了智能窗戶技術，彩色聚合物甚至可被用在其他材料的應變測試。
“我想象一層如此軟的復合材料能夠被用作非線性應變儀。通過將一層軟復合材料附加在工程結構上，我們也許能夠將它的表面形變形象化，這顯然對于檢測結構安全是重要的信息。該想法非常簡單。然而，系統的功能非常強大，就像這些作者們所展示的。”
麻省理工學院和馬斯達爾間的合作支持這項研究。
三種顏色的聚二甲基硅氧烷（PDMS），一種廣泛使用類橡膠透明聚合物，當下面的燈箱照射時像氣球一樣膨脹。上面一行是PDMS材料膨脹前形貌。下面一行膨脹后的PDMS顯示出下面麻省理工學院的標志。
(圖片來源：麻省理工學院Melanie Gonick)
這項研究成果已發表在《Advanced Optical Materials》期刊。
麻省理工學院土木與環境工程系博士后López Jiménez表示，對原型聚合物結構更好的理解有助于開發智能窗戶材料更便宜的替代材料，智能窗戶是能夠調整入射光的表面。
“能自動對光做出反應的建筑物和窗戶，讓你能夠不必在取暖和空調方面花很多錢。然而問題是，為整個建筑物安裝這種材料太貴了。我們想尋找一種更簡單和便宜的方法控制透光量，通過延展一種非常簡單的材料，一種現有的透明聚合物。”
López Jiménez補充說，多層聚合物結構能夠用來覆蓋窗戶表面。設計師能夠利用這個理論來測量力的大小，并用于調整聚合物層的入射光量。研究小組包括López Jiménez；阿布扎比馬斯達爾科技研究院Shanmugam Kumar；土木與環境工程和機械工程副教授Pedro Reis。
當前的工作受到López Jiménez、Reis和Kumar相似研究的影響。在這個項目中，該團隊研究了PDMS基本塊的光傳輸特性，PDMS是一種多用途的類橡膠透明聚合物。在這種聚合物塊中發現了某些黑暗的區域，研究人員想弄清楚透過材料的光是否可以通過聚合物塊的形變進行調整。
“這是一個幸運的意外。我們只是在研究材料，很快就開始對如何預測得到正確數據而感興趣。”
研究團隊想要開發一種柔軟的有色復合物，在暴露于如力學化學或者電子力等外部刺激時，能夠變得透明或改變顏色。開發了一種矩形透明PDMS堆棧薄片，與含有黑色微小染料顆粒的溶液混合。處于未拉伸狀態時，材料看起來模糊，但當它被拉伸并像氣球一樣膨脹時，能夠進入更多的光。
在第一個實驗中，光通過已注入染料顆粒的聚合物結構，在沒有任何變形的條件下，透過材料的光量被測定。然后，這種聚合物在與光線垂直的方向延伸，聚合物厚度和穿過材料的光量被測定。測量結果與該研究小組基于比爾-朗伯定律預測結果相比較，比爾-朗伯定律是一個描述光通過一種具有特定性質材料方式的光學理論。該理論結合了實驗分析，得出一個基本方程來預測穿過發生機械變形PDMS結構的光量。
為了進一步驗證該方程，我們完成了一些其他實驗，當光從下面照射時，圓盤狀PDMS結構被固定住并像氣球一樣膨脹。研究者們確定了穿過該結構的光量，并觀察到當拉伸材料時有更多的光通過。他們還發現，光的強度與方程預測的結果一樣。
“當施加應變時，我們可以預測和表征光的變化。如果給我提供原始材料特性以及入射光的強度，我們能夠確切地知道在這種形變下有多少光通過。”
López Jiménez補充說，該方程未來可被用于調整具有更復雜紋理和表面材料的光透過率和透明度，。
“柔軟的彩色復合材料非常令人興奮，能夠為材料提供可轉換和調整的光學特性。應用這種相對簡單但可預測的機制是一項激動人心的挑戰，值得運用到具體工程應用中，比如通過智能窗戶控制室內光線。”土木與環境工程副教授Pedro Reis表示。
加州大學圣地亞哥分校機械和航空航天工程助理教授Shengqiang Cai表示，除了智能窗戶技術，彩色聚合物甚至可被用在其他材料的應變測試。
“我想象一層如此軟的復合材料能夠被用作非線性應變儀。通過將一層軟復合材料附加在工程結構上，我們也許能夠將它的表面形變形象化，這顯然對于檢測結構安全是重要的信息。該想法非常簡單。然而，系統的功能非常強大，就像這些作者們所展示的。”
麻省理工學院和馬斯達爾間的合作支持這項研究。
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（責任編輯：xu）
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