Новое покрытие для стекла на основе нитрида бора снижает теплопотери и экономит энергию

Исследователи из Университета Райса и их коллеги разработали новое покрытие для стекла, которое может помочь сократить счета за электроэнергию, особенно в холодное время года, предотвращая теплопотери через окна. Автор: Хорхе Видал / Университет Райса

Новое покрытие для стекла, разработанное исследователями из Университета Райса и их коллегами, может помочь сократить счета за электроэнергию, особенно в холодное время года, предотвращая теплопотери через окна. Материал — прозрачная плёнка, созданная путём вплетения углерода в атомную решётку нитрида бора — образует тонкий, прочный слой, который отражает тепло, устойчив к царапинам, а также не боится влаги, ультрафиолета и перепадов температур.

Исследователи смоделировали поведение материала в зданиях стандартного размера в городах с холодными зимами, таких как Нью-Йорк, Пекин и Калгари. Результаты показали, что покрытие улучшает энергосбережение на 2,9% по сравнению с существующими аналогами. Учитывая, что только в США ежегодно устанавливается более 4 миллиардов квадратных футов новых окон, экономия может быть значительной.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Materials, долговечность покрытия позволяет наносить его на внешнюю сторону стекла — это серьёзное преимущество перед традиционными низкоэмиссионными (low-E) покрытиями.

Эмиссионность описывает способность материала излучать тепло в виде тепловой энергии; чем ниже значение, тем меньше тепла уходит через стекло. Традиционные low-E-покрытия подвержены деградации из-за таких факторов окружающей среды, как влажность и перепады температур, поэтому их обычно наносят на внутреннюю сторону окон.

«Хотя чистый нитрид бора демонстрирует почти такую же эмиссионность, как стекло, добавление небольшого количества углерода значительно снижает этот показатель — и это меняет правила игры», — заявил Пуликкель Аджаян, профессор инженерии и наноматериалов Университета Райса.

Для создания покрытия команда использовала метод импульсного лазерного осаждения, при котором короткие, высокоэнергетические лазерные импульсы воздействуют на мишень из нитрида бора, создавая плазменные шлейфы, которые оседают на подложке (в данном случае — стекле). Поскольку процесс происходит при комнатной температуре, он исключает необходимость в высоких температурах, обычно требуемых для создания адгезионных покрытий.

«С точки зрения синтеза, покрытие нитрида бора на стекле — это действительно удивительно и очень интересно», — отметил Абхиджит Бисвас, ведущий автор исследования и эксперт по синтезу тонких плёнок.

Аджаян подчеркнул, что та же технология низкотемпературного осаждения нитрида бора может быть адаптирована и для других материалов, включая полимеры, текстиль и даже биологические поверхности. Кроме того, другие масштабируемые методы, такие как химическое осаждение из газовой фазы или напыление, могут в будущем сделать коммерческое производство экономически выгодным.

«Это значительно расширяет область применения покрытий на основе нитрида бора», — добавил Аджаян, являющийся ответственным автором исследования.

С точки зрения сырья, нитрид бора дешевле серебра или оксида индия-олова, используемых в большинстве коммерческих low-E-стёкол. Тем не менее, исследователи предостерегают от прямого сравнения затрат, поскольку материалы различаются по долговечности, методам обработки и технологической зрелости. Тем не менее, команда видит перспективу в долгосрочной эксплуатации покрытия, особенно в суровых условиях, где существующие материалы не справляются.

Для оценки оптической прозрачности покрытия и его потенциала энергосбережения команда Университета Райса сотрудничала с И Лун из Китайского университета Гонконга, чья группа занимается функциональными материалами для технологий «умных» окон. Лун подчеркнул долговечность покрытия в уличных условиях как ключевое отличие от существующих технологий.

«Высокая устойчивость к погодным условиям делает его первым low-E-покрытием для наружной стороны окон, с энергосберегающей способностью, которая явно превосходит внутренние аналоги», — сказал Лун. «Это может быть отличным решением для густо застроенных городов».

Шаньчэн Ван также внёс значительный вклад в исследование, особенно в части энергосбережения.

«Уровень прозрачности и перспективная низкая эмиссионность делают стекло с углеродным покрытием конкурентоспособным вариантом для энергосбережения в таких городах, как Пекин и Нью-Йорк», — отметил Ван.

Помимо Университета Райса и Китайского университета Гонконга, в команду вошли исследователи из Университета штата Аризона, Корнеллского университета и Университета Торонто.

Дополнительная информация: Abhijit Biswas et al, Carbon Doped Boron Nitride Nano‐Coatings for Durable, Low Emissivity Glass Windows, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202507557

Источник: Rice University