【創意研發】智慧窗戶新材料

■自動調節明暗度的門窗,一直是智慧居家科技努力的目標。MIT研究團隊想到了一個簡單又直觀的方式。

Photo: Melanie Gonick/MIT
Photo: Melanie Gonick/MIT

撰文|方程毅

吹氣球應該是大家兒時記憶吧,一夥人拿著零用錢跑到便利商店,討論著要買大氣球還是小氣球,討論吹氣後要如何捏爆它們嚇嚇班上女生,順便嘲笑那些使盡吃奶力氣卻吹不脹氣球的同學。無論你是享受捉弄嘲笑別人的過程,或真心喜歡看到它們充氣後的樣子,應該都不難注意到,這些各色各樣氣球本身的顏色都很深,但吹氣後通常顏色會變淺,甚至有點半透明。這等於是個可以透過調節充氣量改變透光度的材料,如果能應用這個性質,或許就可以做為智慧窗戶,藉由充氣量控制明暗。這樣直觀的概念被麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)Pedro Reis教授做成簡單的智慧窗戶,調節明暗的過程真的跟吹氣球一樣平凡無奇,卻又如此實用。這項研究被發表在2016年《先進光學材料》(Advanced Optical Materials)期刊上。

研究所使用的材料是PDMS (Polydimethylsiloxane),PDMS是一種具有彈性的矽橡膠板,無毒且透明無色,常用於生物微機電系統、軟微影技術(Soft lithography),算是取得相當容易且成本不高的材料。

研究團隊將不同顏色的染料混進PDMS中,讓本來透明的PDMS變得不透光,但材料一被拉伸,光就能隨著厚度變薄而逐漸穿透。為了要證明這個點子真的可行,他們將材料放在一個開圓孔的載台上,此時材料未受形變,因此光線無法穿透。接著灌入空氣,讓材料像氣球一般膨脹。膨脹的過程逐漸轉為透明(請見影片)。藉由控制充氣與洩氣,它就像一個有時透光,有時不透光的智慧窗戶。也因為材料是橡膠而能收放自如,可以不斷重複這個循環。除此之外,只要調整混入染料的顏色及濃度即可做出各種不同的穿透度及顏色,製程上方便又簡單。

本篇論文的第一作者,博士後研究員Francisco López Jiménez在MIT News上表示:「對那些希望對光產生反應的建築物窗戶來說,你不需要做得跟冷暖氣一樣耗能,但問題是目前使用的材料成本都過高。我們希望找到一個便宜又簡單的方法控制進光量:透過伸縮一個早已廣泛運用的橡膠材料改變光線的穿透率。」López Jiménez博士表示:「這是一件開心的意外。」、「我們只是在隨意嘗試這個材料,但卻馬上產生極大興趣,並發現我們可以準確預測材料的穿透率。」

Reis教授也表示:「軟式有色複合材料提供給了一個令人振奮的新契機邁向可調可變的光學性質。」、「將這種簡單但堅固且機制可預測的材料應用於實際工程用途,例如室內光線調控是個非常值得努力的挑戰。」

事實上這個材料不僅可以做為智慧門窗之用,還可以用來檢測物體形變,由於混入染料的PDMS,光的穿透率會隨著受到的形變產生變化,藉由測量形變量便可以反推它受到的張力大小,所以只要把它貼在待測物體上,我們就可以得知該物體的形變量及壓力大小。一個簡單的概念,卻有各種不同的用途。其實創新並沒有那麼難,只要多留心新奇的點子或許就在身邊!

原始論文:López Jiménez, Francisco, Shanmugam Kumar, and Pedro Miguel Reis. "Soft Color Composites with Tunable Optical Transmittance." Advanced Optical Materials (2016).

參考資料:

  1. MIT News: Scientists tune polymer material’s transparency
  2. Gadgets 360: Novel Material Could Offer Cheap Alternative to Smart Windows

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作

 

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