夏の暑い日、太陽の下で車を停めたことがある人なら誰でも知っているように、ガラス窓は太陽光を取り入れるのには優れていますが、熱を外に逃がすのは苦手です。今回、デューク大学のエンジニアが開発したスマートウィンドウは、スイッチを押すだけで、太陽光から熱を取り込み、物体を冷却することができる。この技術は、空調設備の節約に役立つ可能性があり、米国だけでもエネルギー使用量を20%近く削減できる可能性がある。エレクトロクロミック技術（電気を流すと色や不透明度が変化する素材）については、以下の論文で詳しく述べられています。 "エレクトロクロミックによる太陽熱・輻射熱の相乗効果のための超広帯域透明導電性電極 " アメリカ化学会誌「Energy Letters」に掲載されました。
「デューク大学機械工学・材料科学助教授のPo-Chun Hsuは、「私たちは、太陽熱と放射冷却を切り替えることができる、非常に最初のエレクトロクロミックデバイスを実証しました。「私たちのエレクトロクロミック調整方法は、可動部品を持たず、連続的に調整することができます。
エレクトロクロミックガラスで作られたスマートウィンドウは、エレクトロクロミック反応を利用して、ガラスを透明から不透明に、そしてまた瞬きする間に変化させる比較的新しい技術です。この現象にはさまざまなアプローチがあるが、いずれも電気的に反応する素材を2枚の薄い電極で挟み込み、その間に電流を流すというものだ。可視光線でも十分難しいのに、中赤外線（放射熱）を考慮すると、なおさらである。
この論文では、Hsuと大学院生のChenxi Suiが、パッシブ加熱モードとパッシブ冷却モードを切り替えながら、両方のスペクトルの光と相互作用する薄型デバイスを実証しています。加熱モードでは、デバイスが暗くなって太陽光を吸収し、中赤外線が逃げるのを防ぐ。冷却モードでは、暗くなった窓のような層が透明になり、同時に鏡が現れて太陽光を反射し、デバイスの背後から中赤外線を放散させることができる。鏡は可視光線に対して決して透明ではないので、この装置は家庭やオフィスの窓の代わりにはならないが、他の建物の表面には使えるかもしれない。
「この2つの領域で機能する材料を作るのは非常に難しいのです」と許教授は言う。「私たちのデバイスは、これまでに実証された熱放射の調整幅の中でも最大級のものです。このようなデバイスを設計するためには、2つの大きな課題を克服しなければなりませんでした。
1つは、電気を通し、可視光と熱放射の両方に対して透明な電極層を作ることである。金属、グラファイト、酸化物など、ほとんどの導電性材料は、この2つの性質が相反するため、この条件に適合しない。そこで、許とスイは、独自の設計を行った。研究者らはまず、1原子厚のグラフェン層から始めた。この層は、どちらのタイプの光も反射・吸収するには薄すぎることがわかった。しかし、これでは、大規模なデバイスの動作に必要な量の電力を伝送することができない。そこで、HsuとSuiは、グラフェンの上に薄い金のグリッドを載せて、電気の通り道とした。これにより、グラフェンの光を通す能力は多少低下したが、トレードオフは十分に小さく、その価値は十分にあった。
2つ目の課題は、2つの電極層の間に入り込み、光と熱を吸収するか透過させるかを切り替えられる材料を設計することであった。研究者たちは、プラズモニクスと呼ばれる現象を利用することで、これを実現した。 ナノスケールの小さな金属粒子を互いにわずかナノメートルの距離に置くと、そのサイズと間隔に基づいて、特定の波長の光を本質的に捕らえることができる。しかし、今回の研究では、ナノ粒子がクラスター状にランダムに分布しているため、幅広い波長との相互作用が生じ、太陽光を効率的に捕捉するのに有効であることがわかった。
デモでは、2つの電極に電気を通すと、上部電極の近くに金属ナノ粒子が形成される。これにより、デバイスが停電するだけでなく、デバイス全体が可視光線と熱を吸収して閉じ込められる。そして、電気の流れを逆にすると、ナノ粒子は再び液体の透明な電解液に溶け出す。この2つの状態間の移行は、1～2分で完了する。「現実の世界では、このデバイスはどちらかの状態で何時間も過ごすことになりますから、移行中に数分間効率が落ちることは、ほんの一滴にすぎません」とHsuは言う。
この技術を日常生活で役立てるには、まだ多くの課題があります。最も大きな課題は、ナノ粒子の形成と分解を繰り返す回数を増やすことだろう。試作機では、効率を失う前に数十回しか移行することができなかったからだ。また、冷却モードの太陽光反射率にも改善の余地があり、Hsu氏は近い将来、亜環境冷却を実現したいと考えている。
しかし、この技術が成熟すれば、さまざまな用途に応用できるかもしれない。例えば、外壁や屋根にこの技術を応用すれば、わずかなエネルギー消費で建物の冷暖房を行うことができるかもしれない。 また、建物の外壁に再生可能な資源を利用した冷暖房が可能になれば、何十年にもわたって二酸化炭素排出の大きな原因となってきた建築資材の使用量を削減する機会も生まれるかもしれません。
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