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日記

phasonの日記: 室温付近で自動で光透過性が変わるスマートウィンドウ

日記 by phason

"Broadband Light Management with Thermochromic Hydrogel Microparticles for Smart Windows"
X. Li, C. Liu, S. Feng and N. X. Fang, Joule, 3, 290-302 (2019).

Natureの記事経由.なお,この論文はオープンアクセスであるので誰でも読むことが可能である.

様々な外的な刺激によって色調や透過性,反射率などを変えられる透明な素材は,スマートウィンドウなどとも呼ばれかなり昔から研究が行われている材料である.スマートウィンドウを使うことで,ブラインドやカーテン不要で透過率を自由に設定できる窓などが実現できるわけだが,各種用途の中でも注目されているのが気温に応じて自動的に熱の流入をコントロールできるような窓材だ.そういった材料を使用すると,夏の日中など温度が高い時には光(特に赤外線)の透過を抑えることで室内の気温上昇を抑制し,一方で冬などには透過率を上げ熱を室内に取り込むことが可能となり,空調に要している膨大なエネルギーの削減にも役立つと期待されている.
スマートウィンドウには,外部からの電源とコントロールを必要とするもの(例えば,バッテリー等からの電力を使い,電圧の印可で透過率をコントロールする,など)と,材料自体の温度や光による相転移を利用し自発的に透過率が変化するものに分けられるが,メンテナンスや電力消費もなく設置すればあとは放置でよい後者の利便性は格別である.

そんな「自動で透過率が変わるスマートウィンドウ」を志向した様々な材料が開発されているのだが,これまでに開発された材料は,
・透過率が変わる温度が高く(60~70 ℃など),かなり高温にならないと切り替わらない
・透過率のOn/Off比が小さく,通常時から薄暗かったり,遮光時でもかなり光が透過したりする
など,欠点を持つものがほとんどである.大きなOn/Off比を出す材料としては温度による金属(高遮光性)-絶縁体(透過性)転移などを利用した系があるのだが,こういった系では転移温度のコントロールが難しく,任意の温度で作動するようなものは作りにくい(材料ごとに転移温度がかっちり決まってしまい,臨んだ温度に設定できない).複合材料などの固相-固相構造相転移を利用すると混ぜ具合によって転移温度はコントロールできるものの,透過率の差が小さくOn/Off比が低くなってしまう.
今回報告されたのは,こういった欠点を克服できるゲルを用いた材料となる.

今回の論文で使用されている材料は,ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)を主体とし,そこにイオン性のアミノエチルメタクリレートを混ぜたものとなる(両分子が分子レベルで結合したの共重合体).用いられているポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は面白い特性で知られており,冷水には溶けてゲルを作れるが熱水には溶けないという特性を示す.
この分子自体は親水性の部分と疎水性の部分を持っており,水分子が親水性部分に水素結合でくっつくことでトータルのエネルギーが低下する.このためポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は水に溶けたほうがエネルギーが下がる.その一方で,この分子の周囲にいる水分子は,疎水性部分とは水素結合できないため,水分子同士(と,ポリマーの一部の親水性部分)の間でしか水素結合が作れない.つまり,この高分子が水に溶けてしまうと,水分子が安定になれる「分子の向き」が大幅に制限される.これはエントロピー(=ランダムさ)の減少をもたらすため,ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)が水に溶け込むことは水分子のエントロピーを下げる効果がある.
さて,よく知られたように,自然現象は「エネルギー - エントロピー×温度」が小さくなる方向に進行する.低温ではエントロピーの寄与が小さくなるためエネルギーの下がる方向に進むのだが,高温ではエントロピー項の寄与が大きくなるため,多少エネルギー的に不利でもエントロピーが上がる方向に進みたがる.このため,ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は低温ではエネルギーの下がる方向=水に溶ける方向に進み,高温ではエントロピーの上がる方向=水に溶けない方向へと系は進む.このためポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は「低温では水に溶けるが,高温では溶けきれなくて析出する」という挙動を示すわけだ.

さてこの挙動,著者らがどう利用したのかというと,窓ガラスを二重ガラスとし,その隙間(数百 μmぐらい)にポリ(N-イソプロピルアクリルアミド-アミノエチルメタクリレート)の粒子(が大量の水を吸ったもの)を詰め込んだのだ.
32 ℃以下の低温では,ポリマーは水に良く溶けるため水を含んだ透明で巨大なゲルへと膨潤し,互いがくっついて透明なゼリー状の物体となる.この状態では均一な媒体となるので,透明度は非常に高い(可視光~2000 μm弱の近赤外の領域で,透過率70%以上程度.可視光に限れば85%程度の透過率).
ところが温度が32 ℃を超えるとポリマーは水に溶けられなくなり,無数の微粒子として析出する.すると「水の中に細かな粒がたくさん浮いたものを挟んだ二重ガラス」になるため,ガラスはまるで障子紙のように白く光を散乱し,透過率が可視領域で5%以下,近赤外でも10%以下と大幅に低下する.
結果として,このポリマー(と水)を挟み込んだガラスは「32 ℃以下の涼しい時には高い透過率で光を取り入れ,32 ℃以上の高温では白く濁って光をあまり通さなくなる」というスマートウィンドウとして働くわけだ.

この反応は単なるゲルの水への溶解・析出を繰り返すだけで特に反応を起こしているわけでもないので,繰り返し特性も良好である.とりあえず論文では1000回のOn-Offサイクルを行っているが,これといった劣化は見られていない.
(論文に図やムービーも用意されているので,興味のある方はご覧あれ)

スマートウィンドウ関連の技術はいくつか以前から見知ってはいたのだが,ポリマーの溶解-析出を使うというのはちょっと思いもよらない手法でなかなか興味深く読めた.製造コストも通常の二重窓とそれほど変わらないだろうし,結構安く使えそうではある.

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