08.11.10 Terpyridin-Komplexe ermöglichen elektrisch schaltbare Tönung für Scheiben
Neuartige Fenster mit Energiespar-Effekt
Mit Fenstern, die ihre Lichtdurchlässigkeit und Farbe je nach Sonneneinstrahlung verändern, ließe sich Energie sparen
Forscher der Uni Würzburg wirken an an der Realisierung von Scheiben mit, die im Winter den Wärmeverlust aus geheizten Räumen deutlich verringern und im Sommer die Wärmestrahlung von draußen besser abhalten, so dass zum Beispiel in Bürogebäuden weniger Klimatisierung nötig wäre.
Abb. 1: Die Farben verschiedener Metallo-Polyelektrolyte variieren in Abhängigkeit vom Metall-Ion, das sie enthalten. Oben ist Eisen im Spiel, in der Mitte Ruthenium, unten Cobalt.
Quelle: Dirk Kurth, Chemische Technologie der Materialsynthese, Universität Würzburg
Verglasungen, die ihre Farbe ändern, sind industriell bereits herstellbar. So gibt es zum Beispiel Rückspiegel im Auto, die sich automatisch verdunkeln, wenn Licht auf ihre Sensoren fällt. Der Fahrer wird dann nicht geblendet.
„Der Aufbau der bislang realisierten Produkte ist aber kompliziert, die Fertigung aufwändig und teuer“, sagt Professor Dirk Kurth vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Uni Würzburg. Zudem funktioniere die Technik für großflächige Verglasungen bis heute nicht richtig: Die Scheiben werden schnell trübe oder fleckig – eine Folge ihres komplizierten Aufbaus aus mindestens fünf unterschiedlichen Materialschichten.
„Smart Windows“ mit elektrisch schaltbarer Tönung
Mit neuartigen Materialien – Metallo-Polyelektrolyten – wollen Wissenschaftler das System nun vereinfachen, besser machen und die Fertigungskosten erheblich senken. Ihr Ziel heißt „Smart Windows“, neue Fenstertypen mit einer farbigen Tönung, die sich elektrisch schalten lässt. Das Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung und Professor Kurth haben hierzu ein Verbundprojekt initiiert, das vom Bundesforschungsministerium mit 1,1 Millionen Euro gefördert wird.
Die Herstellung der „Smart Windows“ ist relativ einfach: Es genügen zwei Glasscheiben, bei denen die einander zugewandten Seiten mit einer dünnen, transparenten Elektrode bedeckt sind. Darauf wird eine hauchfeine Schicht aus Metallo-Polyelektrolyten (MEPE) aufgebracht. Das geht verhältnismäßig simpel durch Eintauchen in eine wässrige MEPE-Lösung. Die Scheiben werden dann aufeinandergelegt und die dazwischen befindliche, störende Luftschicht durch das Einfüllen eines sirupartigen, neutralen Materials verdrängt. Zum Schluss wird das System abgedichtet..
Abb. 2: Aufbau von Metallo-Polyelektrolyten: Bringt man Terpyridin-Moleküle und Metall-Ionen in Wasser zusammen, entstehen von alleine lange Ketten. Die Verknüpfung zwischen den Terpyridinen kann starr oder flexibel sein und auch funktionelle Gruppen enthalten.
Quelle: Dirk Kurth, Chemische Technologie der Materialsynthese, Universität Würzburg
Metall-Ionen sorgen für den Farbwechsel
Wodurch zeichnen sich die Metallo-Polyelektrolyte aus, die solche neuartigen Fenster ermöglichen sollen? Es handelt sich um lange Molekülketten, in denen einzelne organische Bausteine, so genannte Terpyridine, durch Metall-Ionen miteinander verknüpft sind.
Die Metall-Ionen sind für die Farbe des Materials verantwortlich und lassen sich elektrisch schalten. Wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben, entsteht oder verblasst die Farbe; die Änderungen sind umkehrbar. Geben zum Beispiel zweiwertige Eisen-Ionen Elektronen ab, wird Blau zu Farblos. Andere Metall-Ionen sorgen für andere Farben: Mit Cobalt ergibt sich ein rötlicher, mit Nickel ein orangefarbener Ton.
Farbe und Transparenz der Fenster lassen sich verändern, indem man die Metallo-Polyelektrolyte über die Elektrode mit niedrigen Spannungen von 1 bis 1,5 Volt schaltet. Einfache Batterien genügen dafür. Dank der speziellen Eigenschaften der MEPE kann die Grundfarbe der Verglasung variiert werden. Es ist auch möglich, in einem Fenster verschiedene Metall-Ionen einzusetzen und so mehrere Farben durchzuschalten. „Mal rot, mal blau – das wäre zum Beispiel für Firmen interessant, die auf den Glasflächen ihres Gebäudes Werbebotschaften transportieren wollen“, sagt Kurth.
Synthese der MEPE an der Universität
Die Arbeitsgruppe des Professors synthetisiert die Metallo-Polyelektrolyte, die Kooperationspartner analysieren sie: Welche Kombinationen mit welchen Metall-Ionen eignen sich am besten? Wie erfolgt im Fenster der Elektronentransfer von der Elektrode in die metallorganische Schicht? Was genau passiert in den MEPES, wenn sie elektrisch geschaltet werden?
Solche grundlegenden Untersuchungen sind nötig, um das System der „Smart Windows“ genau zu verstehen. Nur dann lassen sich ihnen optimale Tönungseigenschaften, eine lange Lebensdauer, kurze Schaltzeiten und andere Eigenschaften verleihen. Ziel der Wissenschaftler: Nach zwei Jahren wollen sie ein Demonstrations-Fenster realisiert haben, an dem zum Beispiel Interessenten aus der Industrie die Vorzüge der Technik sehen können.
Kontakt:
Prof. Dr. Dirk Kurth, Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese, Universität Würzburg, T (0931) 31-82631, dirk.kurth [at] matsyn.uni-wuerzburg.de
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Terpyridin-Komplexe ermöglichen elektrisch
schaltbare Tönung für Scheiben
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/nov/energiespar-fenster.shtm)
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Anorganische Chemie, Materials Science
