Un espejo que se vuelve transparente

Kazuki Yoshimura, jefe de grupo de Energy Control Thin Film Group of the Materials Research Institute for Sustainable Development, grupo que forma parte del Instituto Nacional de  Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada(AIST), en colaboración con Shanhu Bao (Post-Doctorado de Investigación Científica en el AIST), ha desarrollado un nuevo material de película delgada que forma un espejo conmutable que puede cambiar entre los estados reflexivo y transparente.

Trabajos previos de investigación se habían centrado en el uso de películas delgadas de aleación de magnesio y níquel que se comportan como espejos conmutables: sin embargo, todos presentaban un color amarillento en su estado transparente. Lo que representaba un obstáculo para la aplicación práctica de dichos productos, ya que el color amarillo hacía que el material no fuera apto para su uso en ventanas de inmuebles o automóviles.

El nuevo desarrollo de un tipo de película fina conmutable está fabricado con una aleación de magnesio y titanio y, produce  con éxito una capa uniforme en forma de hojas de vidrio de un  tamaño de 60 × 70 cm y que mostraron un comportamiento conmutable. El espejo conmutable consta de dos láminas de vidrio encerradas en una cavidad y recubiertas en su superficie interior con la película de aleación. Un gas que contiene hidrógeno con una baja concentración de oxígeno de entre el 1 y el 20%, se introduce en la cavidad para activar el comportamiento de conmutación.

Un cristal conmutable,  es aquel que tiene un grado de transparencia o color regulable, y su utilización  en ventanas de  inmuebles o automóviles podría permitir considerables reducciones en el consumo de energía.

Actualmente, existen varios tipos de cristales conmutables  desarrollados, y las gafas electrocrómicas, un tipo gafas que pueden controlar el color y transparencia de los cristales en respuesta a una señal eléctrica, ya han sido comercializadas. Sin embargo, no están libres de problemas en términos de eficiencia de ahorro energético. La temperatura del vidrio aumenta como resultado de la absorción de luz por la fina película de color que modula la transmisión lumínica y este aumento de temperatura provoca radiación infrarroja que es irradiada dentro de la habitación, disminuyendo la eficiencia de ahorro de energía del cristal.

Para superar este defecto, un material reflectante que modulara la luz por reflexión, más que por  absorción, era deseable. En 1996, un grupo de investigación en los Países Bajos desarrolló un cristal sobre la base de películas delgadas de itrio, lantano y una fina capa de paladio, que podían cambiar entre diferentes estados de transparencia y que reflejaban a través de reacciones de hidrogenación y deshidrogenación. Estos materiales no pueden sin embargo ser de fácil uso en aplicaciones industriales, como grandes ventanas, debido al precio y la escasez de los materiales.

Un grupo de investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de EE.UU. desarrolló una fina película de espejo conmutable hecha de una aleación de magnesio y níquel. Esto le daba un color marrón oscuro, incluso en su estado transparente, y los materiales tienen características ópticas.Por consiguiente, era necesario el desarrollo de materiales baratos conmutables con una gran transparencia.

Desde 2002, el Control de Energía Thin Film Group ha estado desarrollando una película delgada para su uso como espejo conmutable, y ha desarrollado materiales de aleación de magnesio y níquel, que tienen excelentes características ópticas en su uso como capas delgadas de espejos conmutables.

Sin embargo, no se logró conseguir que el material tuviera un color neutro en su estado transparente, porque el tinte amarillento no podría ser completamente eliminado. Por lo tanto, se debía la posibilidad de crear una película delgada a partir de materiales diferentes,   y se recurrió a una aleación de magnesio y titanio en su lugar. Mediante el uso de esta  aleación se redujo el grado de coloración considerablemente, y se desarrolló una película delgada casi de color neutro en su estado transparente.

Mediante el uso de un aparato con magnetrón triple que bombardea magnesio y titanio simultáneamente sobre una placa de vidrio se logra dar una fina capa de aleación  de 40-nm de espesor. Sobre esto, se aplicó una capa muy delgada de paladio (de 4-nm de espesor) por pulverización catódica al vacío, para crear una película delgada conmutable.

La película delgada forma un espejo cuando se aplica al vidrio, pero se vuelve transparente cuando se expone a una atmósfera de hidrógeno y libre de oxígeno, y vuelve a su estado de reflexión cuando se expone a una atmósfera rica en oxígeno y pobre en hidrógeno. El cambio entre los estados es muy impresionante.

Las ventanas conmutable pueden ser utilizadas industrialmente y tienen una estructura de vidrio típico, siendo posible aplicar la aleación a ambos lados del cristal. El cambio se logra mediante la introducción de gases que contienen una baja concentración de hidrógeno (alrededor del 1%) o gas que contiene oxígeno (alrededor del 20%) en el espacio entre los cristales. Pequeñas cantidades de hidrógeno y oxígeno para su uso en el proceso de cambio puede ser fácilmente generados por la descomposición del agua. Cómo prototipo, se creó un espejo conmutable de un tamaño de 60 × 70 cm y probamos su comportamiento. La película fina mostró excelentes características de conmutación. Enlace original: Developed of a switchable mirror that turns into a color-neutral stat.