MULTIFUNCTIONAL ACTIVE WINDOWS - VENTANAS ACTIVAS MULTIFUNCIONALES

Windows are openings in an opaque wall to admit light and air. The windows usually contain a sheet of glass to open and close; when the windows are closed, the light is able to pass through them, but the pass of the air is blocked.

Till today, the most of the windows in vehicles or in buildings have been passive elements, whose functions are limited to: allow the transmission of light and to establish a spatial separation between two media.

Although, with the most recent technological developments, specially in the nanotechnology area, the windows will change, they are not going to be passive building elements, but they will become in active, multifunctional and even "smart" elements.

In particular, the sol-gel method plays an important role in the development of these kinds of materials, mainly through the fabrication of coatings which can be deposited onto the glass of the windows.

The unique features of the sol-gel method allow the fabrication of homogeneous coatings at room temperature from a liquid phase. It implies to have the ability to produce not only inorganic coatings, but also coatings able to contain organic matter devoted to specific functions, for example to absorb ultraviolet light, to emit visible light, to scatter the incident light or to generate electric energy from light.

To allow the pass of light through the windows but, at the same time, to block the pass of matter is the basic nature of the usual windows glasses. This is the reason why many of the glass coatings are based on their interaction with light; thus some issues like transmission, generation, detection and manipulation of light are key processes to keep in mind when developing the coatings; in this way, the coated windows transform into real photonic materials.

Due to the functionalities added by the coatings to the glasses of the windows, it is not far in the future the day in which the windows can be:

•  Self-cleaning. Functionality acquired by coatings made of titanium dioxide; their contact with water, under illumination, allows the removal of dust and pollutants from the windows surface. [1]
•  Anti-fogging. Functionality acquired by high surface energy coatings made of titanium dioxide; they decrease the contact angle between the water and the windows, in this way the fog on the windows is avoided. [2]
•  Photocatalytic. Functionality acquired by mesoporous titanium dioxide coatings; they convert, under illumination, toxic gases into non-toxic gases. [3]
•  Antibacterial. Functionality acquired by silicon dioxide coatings doped with silver nanoparticles; the silver nanoparticles alter some bacteria DNA, diminishing in this way the health risks due to bacteria. [4]
•  Ultraviolet radiation shield. Functionality acquired by silicon dioxide hybrid organic-inorganic coatings; they efficiently absorb and reflect ultraviolet light, blocking its transmission and avoiding organic matter degradation. [5]
•  Infrared radiation shield. Functionality acquired by zinc oxide coatings; they reflect infrared light, blocking its transmission and avoiding an increase in temperature where the light falls. [6]
•  Photovoltaic cell. Functionality acquired by zinc oxide hybrid organic-inorganic coatings; under illumination, they generate electric energy. [7]
•  Electrochromic. Functionality acquired by silicon dioxide hybrid organic-inorganic coatings doped with liquid crystals; they modify the windows transparency through the application of voltages. [8]
•  Electrical conducting. Functionality acquired by zinc oxide coatings doped with tin; they have a low electrical resistance while remain transparent to the visible light. [9]
•  Gas sensors. Functionality acquired by zinc oxide coatings; their electrical resistance changes as a response to modifications in the gases of the surroundings atmosphere. [10]
•  Thermochromic. Functionality acquired by vanadium dioxide coatings; their optical reflectance increases as a response to increments in temperature. [11]
•  Optical limiter. Functionality acquired by mesoporous silicon dioxide coatings doped with fullerene; they allow the transmission of low intensity light through the window, but they block the transmission of high intensity light. [12]
•  Antireflective. Functionality acquired by coatings with metal oxide nanoparticles; the nanoparticles help to diminish the windows reflectance in a wide spectral range. [13]
•  Scratch resistant. Functionality acquired by silicon dioxide hybrid organic-inorganic coatings; they protect from scratches to the windows made with some transparent polymer. [14]
•  Light emitter. Functionality acquired by silicon dioxide or zirconium dioxide coatings doped with nanoparticles in which there are rare earth ions; they are able to emit light in several wavelengths. [15]

All of this means that the windows, in the near future, will not be passive windows, instead they will be active and multifunctional, and maybe it will be usual to find smart windows in the cars, just like those proposed by General Motors company in the next video:

This post is part of the IX Technology Carnival Edition. In this occasion the carnival is hosted by Vicente, from El Tao de la Física.

Las ventanas son aberturas que se dejan en una pared opaca para permitir el paso de luz y aire. Generalmente se cierran y se abren mediante un vidrio de igual tamaño que la abertura, lo cual impide el paso de aire pero sigue permitiendo el paso de luz.

Hasta el día de hoy, la mayoría de las ventanas existentes en cualquier tipo de construcción o en cualquier medio de transporte han sido elementos pasivos, cuyas funciones se limitan a permitir el paso de luz visible, al mismo tiempo que sirven de separación espacial entre dos medios.

Sin embargo, con el desarrollo tecnológico actual, especialmente en el área de la nanotecnología, las ventanas poco a poco dejan de ser meros elementos pasivos de construcción para convertirse en elementos activos, multifuncionales e incluso "inteligentes".

En particular, la técnica sol-gel juega un papel importante en el desarrollo de este tipo de materiales, principalmente a través de la elaboración de recubrimientos vítreos susceptibles de depositarse sobre los vidrios de las ventanas.

Las características únicas de elaboración de materiales mediante el método sol-gel permiten la fabricación de recubrimientos homogéneos a partir de una fase líquida y a temperatura ambiente, lo cual permite que los recubrimientos no sean tan sólo inorgánicos, sino que además puedan contener material orgánico destinado a realizar funciones específicas, como pueden ser la absorción de luz ultravioleta, la emisión de luz visible, el esparcimiento de toda la luz incidente o la fotogeneración de voltajes.

Debido a la naturaleza misma de los vidrios de las ventanas usuales, dichos vidrios suelen permitir el paso de la luz evitando el paso de materia, por lo que muchas de las aplicaciones de los recubrimientos vítreos están basadas en su interacción con la luz misma, así que aspectos tales como la transmisión, la generación, la detección y la manipulación de la luz a partir de estos recubrimientos son cuestiones esenciales a considerar durante su desarrollo, es decir, que los recubrimientos vítreos pueden llegar a verdaderos materiales fotónicos.

Con las funcionalidades que estos recubrimientos otorgan a los vidrios, no está muy lejos el día en que las ventanas podrán ser, entre otras cosas:

•  Autolimpiables. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos hechos con dióxido de titanio, cuyo contacto con el agua, en presencia de luz, permite la remoción de suciedad sobre la superficie de las ventanas. [1]
•  Antiempañantes. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de alta energía superficial, hechos con dióxido de titanio, que disminuyen el ángulo de contacto del agua, evitando así que las ventanas se empañen. [2]
•  Fotocatalíticas. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos mesoporosos de dióxido de titanio, los cuales, en presencia de luz, convierten gases contaminantes en gases no contaminantes. [3]
•  Antibacterianas. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de dióxido de silicio que contienen nanopartículas de plata, las cuales alteran el ADN de algunas bacterias, inactivando así su efecto nocivo a la salud. [4]
•  Protectoras contra la radiación ultravioleta. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos híbridos orgánico-inorgánicos de dióxido de silicio, que absorben y reflejan eficientemente la luz ultravioleta, impidiendo que pase y cause deterioros en materia orgánica. [5]
•  Protectoras contra el calentamiento por luz infrarroja. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de óxido de zinc, que reflejan la luz infrarroja, impidiendo que pase y genere un aumento de temperatura en los objetos en que incida. [6]
•  Celdas fotovoltaicas. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos híbridos orgánico-inorgánicos de óxido de zinc, que generan energía eléctrica a partir de la absorción de luz. [7]
•  Electrocrómicas. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos híbridos orgánico-inorgánicos de dióxido de silicio contaminado con cristales líquidos, que pueden ven modificada su transparencia cuando se les aplica una diferencia de potencial eléctrico. [8]
•  Conductoras de electricidad. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de óxido de zinc contaminado con estaño, los cuales tienen una baja resistencia eléctrica y una alta transparencia a la luz visible. [9]
•  Sensores de gases. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de óxido de zinc, los cuales modifican su resistencia eléctrica ante cambios en la atmósfera que les rodea. [10]
•  Termocrómicas. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de dióxido de vandio, los cuales aumentan su reflectancia como respuesta a aumentos en su temperatura. [11]
•  Limitadores ópticos. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos mesoporosos de dióxido de silicio contaminados con fulerenos, los cuales permiten la transmisión de luz de baja intensidad y bloquean el paso de luz muy intensa. [12]
•  Antirreflejantes. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos que contienen nanopartículas de óxidos metálicos, las cuales disminuyen la reflectancia de las ventanas. [13]
•  Resistentes a ralladuras. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos híbridos orgánico-inorgánicos de dióxido de silicio, los cuales protegen de posibles ralladuras a las ventanas hechas de algún tipo de polímero transparente. [14]
•  Emisoras de luz. Funcionalidad adquirida a partir de recubrimientos de dióxido de silicio o dióxido de circonio contaminados con nanopartículas que contienen iones de tierras raras, los cuales son capaces de emitir luz de diversas longitudes de onda. [15]

Es decir, que en un futuro cercano las ventanas ya no serán pasivas, sino que serán activas y multifuncionales, y quizás hasta sea común encontrar ventanas "inteligentes" en los coches, como las que propone General Motors en el siguiente video.

Esta entrada participa en la IX Edición del Carnaval de la Tecnología, cuyo anfitrión en esta ocasión es Vicente, del blog El Tao de la Física.