Op goud gebaseerde passieve verwarming voor brillen

Onderzoekers van ETH Zürich hebben een ultradunne, op goud gebaseerde transparante coating ontwikkeld die zonlicht in warmte kan omzetten. Het kan op glas en andere oppervlakken worden aangebracht om te voorkomen dat ze beslaan. Toepassingen voor de nieuwe coating zijn onder meer brillen en autoruiten.

Onderzoekers in de groep onder leiding van ETH-professoren Dimos Poulikakos en Thomas Schutzius wijzen erop dat hun coating wordt vervaardigd met methoden die veel worden gebruikt in de productie. In een cleanroom en met behulp van dampafzetting onder vacuüm worden minieme hoeveelheden goud op het oppervlak afgezet. ETH Zürich heeft patent aangevraagd op de coating.

Absorbeert een groot deel van de infraroodstraling

Bijzonder aan de nieuwe coating is dat deze de zonnestraling selectief absorbeert. De helft van de energie in zonlicht bevindt zich in het infraroodspectrum, de andere helft in het zichtbare licht en het UV-stralingsspectrum. “Onze coating absorbeert een groot deel van de infraroodstraling, waardoor deze opwarmt – tot wel 8 graden Celsius”, legt ETH-promovendus Iwan Hächler uit, die een drijvende kracht achter de ontwikkeling was. Het absorbeert slechts een klein deel van de straling in het zichtbare bereik, waardoor de coating transparant is.

De nieuwe coating heeft een aanpak die verschilt van conventionele anticondensmethoden. Traditioneel worden oppervlakken gecoat met wateraantrekkende (hydrofiele) moleculen, wat resulteert in een gelijkmatige verspreiding van condensatie. Dit is hoe antifog-sprays werken. Maar de nieuwe methode verwarmt in plaats daarvan het oppervlak, waardoor de vorming van door vocht veroorzaakte condensatie daar in de eerste plaats wordt voorkomen. Het is hetzelfde principe dat wordt gebruikt voor de achterruit van een auto. Maar, zoals Hächler opmerkt, elektrische verwarming is inefficiënt en energieverspillend. De nieuwe coating daarentegen wordt passief verwarmd en heeft overdag geen extra energiebron nodig.

Dunner, buigzamer en efficiënter

Poulikakos, Schutzius en hun teams werken al enkele jaren aan passief verwarmde oppervlaktecoatings. Drie jaar geleden publiceerden de wetenschappers hun eerste onderzoekspaper over een gouden coating die verhinderde dat transparante oppervlakken beslaan. De coating die ze nu hebben gepresenteerd, heeft veel voordelen ten opzichte van de eerste: hij bestaat uit een enkele gouden nanolaag en is aanzienlijk dunner, waardoor hij zowel transparanter als buigzamer wordt. Verder is het ook transparanter en efficiënter omdat het infrarood licht selectiever absorbeert.

Goud mag dan duur zijn, de onderzoekers benadrukken dat hun coating zo weinig vergt dat de materiaalkosten laag blijven. De coating bestaat uit minuscule, extreem dunne clusters van goud ingeklemd tussen twee ultradunne lagen titaniumoxide, een elektrisch isolerend materiaal. Vanwege hun brekende eigenschappen verhogen deze twee buitenste lagen de efficiëntie van het verwarmingseffect. Bovendien fungeert de toplaag van titaniumoxide als afwerking die de goudlaag beschermt tegen slijtage. Deze hele “sandwich” is slechts 10 nanometer dik. Ter vergelijking: een gewoon bladgoud is twaalf keer zo dik.

De individuele goudclusters raken elkaar minimaal, waardoor de goudlaag net elektriciteit kan gaan geleiden. Dus bij afwezigheid van zonlicht zou het toch mogelijk zijn om elektriciteit te gebruiken om de coating te verwarmen.

De onderzoekers gaan de coating nu verder ontwikkelen voor andere toepassingen. Daarbij gaan ze onderzoeken of andere metalen net zo goed werken als goud. Naast brillen en windschermen kan deze anticondensmethode overal worden gebruikt waar objecten zowel verwarmd als transparant moeten zijn, zoals ramen, spiegels of optische sensoren.

Er hoeft echter niet te worden gevreesd dat hierdoor een auto of een gebouw in de zomer meer opwarmt. ETH-promovendus Hächler legt uit: “De ruitcoating absorbeert infrarode stralen van de zon, die specifiek de ruit opwarmen en voorkomen dat de straling de binnenkant van de auto of het gebouw bereikt. Het resultaat is dat het interieur nog minder opwarmt dan zonder de bekleding.”

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.