Материал к уроку
Как это устроено? «Умные» стёкла
«Умные» стёкла. Стеклянные перегородки удобны, потому что они, с одной стороны, отделяют нас от других людей или предметов, а с другой – прозрачны и позволяют видеть всё вокруг. Однако порой нам хочется скрыться от взоров или от солнечных лучей. Тогда нам нужны так называемые умные стёкла, прозрачность которых может меняться. Лист жидкокристаллического стекла можно превратить из прозрачного в матовое простым нажатием на кнопку – и не надо никаких собирающих пыль штор, занавесей или жалюзи. Такое стекло непрозрачно, потому что все падающие на него лучи рассеиваются. Электрохромные стёкла при подаче на них напряжения темнеют в течение нескольких минут и уже не пропускают свет. Их можно использовать как оконные стёкла с регулируемой степенью затемнения. Есть «умные» стёкла со взвешенными частицами, которые под действием электрического напряжения изменяют ориентацию, как это происходит и в жидкокристаллических стёклах. Окна с термохромными гелями окрашиваются, когда нагреваются от солнечных лучей выше некоторой пороговой температуры. Использование таких стёкол позволяет экономить на системах охлаждения. Да и стоимость их не так уж высока – 100–130 долл. за кв. фут (обычное закалённое стекло – 10 долл. за кв. фут). Будучи вделанными в оконные люки на потолке, они будут поглощать ультрафиолетовое излучение, могут служить удобными перегородками между ресторанными столиками, местами банковских служащих, из них можно делать стенки душевых кабин и ванных комнат, экраны разного рода, даже иллюминаторы самолётов. Электрохромные стёкла вдвое дороже остальных, зато срок их эксплуаутации составляет 30–40 лет в широком интервале температур при интенсивном солнечном облучении.
В отсутствие напряжения жидкокристаллическое стекло непрозрачно – оно матовое, потому что в среднем слое жидкие кристаллы ориентированы хаотично и рассеивают свет во всевозможных направлениях. При этом глаз не может сфокусироваться на объекте, находящемся за стеклом. Однако свет не поглощается стеклом, поэтому внутри помещения светло.
При включении напряжения ионы лития перемещаются в электрическом поле из слоя, где они хранятся, к слою оксида вольфрама, где в результате химической реакции образуется вольфрамовая бронза, непрозрачная для лучей в УФ- и части видимого спектра. Чем дольше прикладывают напряжение, тем темнее слой. Затемнение сохраняется долго после отключения напряжения. Чтобы восстановить прозрачность стекла, необходимо подать обратное напряжение.
Фотохромные стёкла легированы галидом серебра, молекулы которого возбуждаются под действием ультрафиолетовых лучей и начинают поглощать видимый свет. В результате стёкла затемняются, яркость достигающих глаза лучей уменьшается.
Знаете ли вы, что?..
• На некоторых автомобилях электрохромные стёкла устанавливаются в зеркалах заднего вида, т.к. их можно затемнить и уменьшить тем самым яркость отражения света передних фар автомобиля, идущего сзади. Такие стёкла можно поставить как боковые или заднее, и водитель сможет в любой момент затемнить их, однако на это ему потребуется минут шесть. Стёкла со слоем жидких кристаллов или взвешенных частиц более быстродействующие – на затемнение таких поверхностей им потребуется полсекунды.
• Двойные стёкла в обычных домах пропускают только 70% света, да и то, если они хорошо вымыты. Такое светопропускание обеспечивают и почти все «умные» стёкла. Автомобильное ветровое стекло, представляющее собой «сэндвич» из двух обычных стёкол с прослойкой полимера для уменьшения бликов, имеет светопропускание даже ниже 70%.
• Обычное зеркало – это просто стекло с отражающим покрытием, нанесённым на одну его сторону. В полицейских участках ставится смотровое окно, отражающая поверхность которого обращена в комнату допроса. Обычно эта комната ярко освещена, и свет хорошо отражается, так что подозреваемый не видит, что происходит за смотровым стеклом, а инспекторы и свидетели сидят в полутёмной комнате и отлично видят, как ведёт себя подозреваемый, хотя половина света и отражается. Если зажечь свет в комнате свидетелей, то подозреваемый тоже увидит своих обвинителей.
При включении напряжения жидкие кристаллы выстраиваются вдоль линий напряжённости электрического поля. Благодаря небольшим бороздкам, протравленным в кристаллах, световые лучи идут параллельно, и стекло становится почти совершенно прозрачным. Чтобы слои держались крепко, их соединяют прослойками адгезива (клея). Чтобы сделать прозрачным показанный на рисунке экран, достаточно мощности 100 Вт.
Scientific American, 2005, September, p. 116–117.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой