แปลและเรียบเรียง โดย มาริสา คุณธนวงศ์

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ภาพจาก https://pixabay.com/en/business-window-building-office-2541870/

หน้าต่างฉลาดแบบใหม่ให้คุณมากกว่ามุมมองที่ดี เพราะมันสามารถควบคุมปริมาณแสงแดดที่ส่องผ่านและควบคุมความร้อนภายในอาคารได้ด้วยการเปลี่ยนรังสีที่มาจากดวงอาทิตย์ไปเป็นความร้อน ทั้งยังช่วยกำจัดแบคทีเรียอีโคไลบนกระจกได้ด้วย

นี่เป็นผลงานของทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ทอีสเทิร์นในเสิ่นหยาง และมหาวิทยาลัยหนานจิง ประเทศจีน ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงใน ACS Nano เมื่อไม่นานมานี้ 

ทีมกล่าวว่าความท้าทายในงานวิจัยนี้ อยู่ตรงความสามารถในการรวมวัสดุที่มีสมบัติที่แตกต่างกันเข้าด้วยกันเพื่อทำให้หน้าต่างฉลาดมีฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลายมากขึ้นตามความต้องการ

ในงานวิจัยนี้ ทีมเลือกวัสดุสองชนิดคือ ทังสเตนไตรออกไซด์ (WO3) และโครงสร้างนาโนของทองคำทั้งที่เป็นอนุภาคนาโนและแท่งนาโน มาผลิตฟิล์มอิเล็กโทรโครมิกโฟโตเทอร์มอล (electrochromic – photothermal film) เพื่อใช้ออกแบบหน้าต่างฉลาดที่รวมสามสมบัติดังกล่าวข้างต้น

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด ภาพ a และ b เป็นภาพที่แสดงโครงสร้างสัณฐานวิทยาของฟิล์ม WO3 ภาพ c เป็นภาพที่แสดงโครงสร้างสัณฐานวิทยาของฟิล์ม WO3 ที่มีอนุภาคนาโนของทองคำสอดแทรกอยู่ ภาพ d เป็นภาพที่แสดงโครงสร้างสัณฐานวิทยาของฟิล์ม WO3 ที่มีอนุภาคนาโนและแท่งนาโนของทองคำสอดแทรกอยู่

ทีมเลือกใช้ทังสเตนไตรออกไซด์ (WO3) เป็นซับสเตรทในการผลิตฟิล์มเนื่องจากมันเป็นวัสดุอิเล็กโทรโครมิก (electrochromic material) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตหน้าต่างฉลาดที่ควบคุมการส่องผ่านแสงที่มองเห็นได้

ทังสเตนไตรออกไซด์มีกลไก electrochromism ที่สามารถเปลี่ยนการส่องผ่านของแสง (optical transmittance) แบบย้อนกลับได้เมื่อมันถูกกระตุ้นด้วยการอัดหรือการคายประจุเคมีไฟฟ้า ดังนั้นทังสเตนไตรออกไซด์จึงเป็นวัสดุที่ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณแสงที่ส่องผ่านฟิล์ม

ส่วนอนุภาคนาโนและแท่งนาโนของทองคำที่สอดแทรกอยู่ในแผ่นฟิล์ม WO3 นั้นจะทำหน้าที่เปลี่ยนแสงที่มองเห็นได้ (visible light) และ รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้น (near Infra-red (NIR) solar radiation) ที่ส่องผ่านเข้ามาให้กลายเป็นพลังงานความร้อน (photothermal effect) และทำให้กระจกมีสีเข้มขึ้นด้วย

หน้าต่างฉลาด รวมสามสมบัติไว้ในหนึ่งเดียว : ควบคุมแสงที่ส่องผ่าน ให้พลังงานความร้อน และปลอดเชื้อโรค

ในงานวิจัยนี้ ทีมแสดงให้เห็นว่าหน้าต่างสามารถเปลี่ยนจากโปร่งแสงไปเป็นสีดำสนิทได้ภายในไม่กี่นาที และอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้นนั้นทำให้อุณหภูมิหน้าต่างเพิ่มขึ้นเป็น 24 องศาเซลเซียสได้ภายในห้านาที

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับหน้าต่างของอาคารในเมืองหนาวเพื่อทำให้ภายในอาคารอุ่นขึ้นและเป็นการช่วยลดพลังงานจากการการใช้เครื่องทำความร้อนภายในอาคารได้ด้วย

นอกจากนี้ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของหน้าต่างยังช่วยกำจัดเชื้อจุลินทรีย์บนกระจกได้ ซึ่งทีมวิจัยได้ทดสอบสมบัติต้านเชื้อจุลินทรีย์ของหน้าต่างโดยทดลองกับเชื้ออีโคไลและฉายรังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้นลงบนแผ่นวัสดุตัวอย่าง

ผลพบว่า ผลการฆ่าเชื้อแบคทีเรียออกฤทธิ์ได้ดีเมื่อแผ่นวัสดุตัวอย่างเป็นสีเข้ม ในทางตรงข้าม พบว่าขณะที่แผ่นวัสดุตัวอย่างอยู่ในสภาพโปร่งแสงจะมีฤทธิ์ของการต้านเชื้อแบคทีเรียที่อ่อน นั่นหมายความว่าประสิทธิภาพการต้านเชื้อแบคทีเรียนั้นเกี่ยวข้องกับสมบัติการเปลี่ยนแสงไปเป็นความร้อน (photothermal effect) นั่นเอง

ทิ้งท้าย

ในอนาคต เราอาจได้เห็นกระจกฉลาดปลอดเชื้อนี้ใช้อยู่ในเครื่องบิน โรงพยาบาล รถสาธารณะและพื้นที่ต่างๆอีกมากมาย

สนใจอ่านข้อมูลเพิ่มเติมที่
https://phys.org/news/2018-07-smart-window-microorganisms.html
 
งานวิจัยฉบับเต็ม  Jingwen Xu et al. “Electrochromic-Tuned Plasmonics for Photothermal Sterile Window.” ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.8b02292 :  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b02292
Scroll Up