الكهروكرومية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
زوج الأكسدة والاختزال للفايولوجين . النوع 2+ على اليسار عديم اللون، والنوع 1+ على اليمين أزرق داكن أو أحمر، اعتمادًا على هوية R. [ 1 ]

الكهروكرومية ظاهرةٌ تتغير فيها درجة لون المادة أو شفافيتها استجابةً لمؤثر كهربائي . [ 2 ] وبهذه الطريقة، يمكن لنافذة ذكية مصنوعة من مادة كهروكرومية أن تحجب أطوال موجية محددة من الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء (القريبة) . ويمكن للتحكم في نفاذية الأشعة تحت الحمراء القريبة أن يزيد من كفاءة الطاقة في المبنى، مما يقلل من كمية الطاقة اللازمة للتبريد صيفًا والتدفئة شتاءً. [ 1 ] [ 3 ]

بما أن تغيير اللون دائم ولا يتطلب سوى تطبيق طاقة لإحداث التغيير، تُستخدم المواد الكهروكرومية للتحكم في كمية الضوء والحرارة التي تمر عبر سطح ما، وأكثرها شيوعًا "النوافذ الذكية". ومن التطبيقات الشائعة استخدامها في صناعة السيارات لتظليل مرايا الرؤية الخلفية تلقائيًا في ظروف الإضاءة المختلفة .

مبدأ

مقطع عرضي للوحة كهروكرومية تتغير من شفافة إلى معتمة. يتم تطبيق جهد كهربائي عبر الأقطاب الموصلة، وتتدفق الأيونات من طبقة تخزين الأيونات، عبر الإلكتروليت، وإلى الطبقة الكهروكرومية.

تحدث ظاهرة التغير اللوني الكهربائي في بعض أكاسيد المعادن الانتقالية التي توصل الإلكترونات والأيونات ، مثل أكسيد التنجستن الثلاثي (WO₃ ) . [ 4 ] تتميز هذه الأكاسيد ببنية ثمانية الأوجه من الأكسجين تحيط بذرة معدنية مركزية وتتصل ببعضها عند الزوايا. ينتج عن هذا الترتيب بنية نانوية مسامية ثلاثية الأبعاد ذات "أنفاق" بين أجزاء ثمانية الأوجه. تسمح هذه الأنفاق للأيونات المتفككة بالمرور عبر المادة عند تعرضها لمجال كهربائي. من الأيونات الشائعة المستخدمة لهذا الغرض أيونات الهيدروجين (H⁺ ) والليثيوم (Li⁺ ) . [ 5 ] [ 6 ]

يتولد المجال الكهربائي عادةً بواسطة قطبين كهربائيين مسطحين وشفافين يفصلان بين طبقات تحتوي على أيونات. عند تطبيق جهد كهربائي بين هذين القطبين، يتسبب فرق الشحنة بين الجانبين في اختراق الأيونات لأكسيد المعدن، بينما تتدفق الإلكترونات التي تعادل الشحنة بين القطبين. تُغير هذه الإلكترونات تكافؤ ذرات المعدن في الأكسيد، مما يقلل شحنتها، كما في المثال التالي لأكسيد التنجستن الثلاثي: [ 7 ]

منظمة الضباط3 +n(H ++ e − ) → Hن وو3

هذا تفاعل أكسدة واختزال ، حيث يستقبل المعدن النشط كهربائيًا الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية، مُشكِّلًا نصف خلية. [ 7 ] من الناحية الدقيقة، يتألف القطب الكهربائي كوحدة كيميائية من الصفيحة المسطحة والمادة شبه الموصلة الملامسة لها. مع ذلك، غالبًا ما يُشير مصطلح "القطب الكهربائي" إلى الصفيحة المسطحة فقط، والتي تُسمى تحديدًا "ركيزة" القطب الكهربائي. [ 8 ]

يمكن للفوتونات التي تصل إلى طبقة الأكسيد أن تتسبب في انتقال إلكترون بين أيونين معدنيين متجاورين. الطاقة التي يوفرها الفوتون هي التي تُسبب حركة الإلكترون، مما يؤدي بدوره إلى امتصاص الفوتون ضوئيًا. [ 9 ] على سبيل المثال، تحدث العملية التالية في أكسيد التنجستن لأيونين من التنجستن a و b : [ 10 ]

W 5+ a + W 6+ b + فوتون → W 6+ a + W 5+ b

المواد الكهروكرومية

تؤثر المواد الكهروكرومية، والمعروفة أيضًا باسم الكروموفورات ، على اللون البصري أو عتامة السطح عند تطبيق جهد كهربائي. [ 7 ] [ 11 ] ومن بين أكاسيد المعادن، يُعد أكسيد التنجستن (WO3 ) أكثر المواد الكهروكرومية دراسةً وشهرةً. [ 12 ] وتشمل المواد الأخرى أكاسيد الموليبدينوم ، [ 13 ] والتيتانيوم، [14] والنيوبيوم ، [ 15 ] على الرغم من أن هذه الأخيرة أقل فعاليةً من الناحية البصرية.

الفايولوجينات هي فئة من المواد العضوية [ 16 ] [ 17 ] التي تخضع لدراسات مكثفة لتطبيقاتها الكهروكرومية. [ 18 ] تُظهر هذه المركبات، وهي من نوع 4،4′-ثنائي البيريدين، تغيرات لونية عكسية بين عديم اللون والأزرق الداكن نتيجة لتفاعلات الأكسدة والاختزال. ويمكن للباحثين ضبطها للحصول على لون أزرق داكن أو أخضر فاقع. [ 11 ]

تُعتبر الفايولوجينات، كمواد عضوية، بدائل واعدة للتطبيقات الإلكترونية، مقارنةً بالأنظمة المعدنية التي عادةً ما تكون باهظة الثمن وسامة، ويصعب إعادة تدويرها. [ 16 ] تشمل المزايا المحتملة للفايولوجينات تباينها البصري، وكفاءة تلوينها، وثباتها في تفاعلات الأكسدة والاختزال، وسهولة تصميمها، وإمكانية إنتاجها بكميات كبيرة. [ 18 ]

استُخدمت مادة الفايولوجين مع فينيلين ديامين من قِبل شركة جينتكس ، التي سوّقت مرايا الرؤية الخلفية ذاتية التعتيم [ 18 ] والنوافذ الذكية في طائرات بوينغ 787. [ 11 ] كما استُخدمت مادة الفايولوجين مع ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2 ، المعروف أيضًا باسم التيتانيا) في صناعة شاشات العرض الرقمية الصغيرة. [ 19 ] [ 20 ] وتُعدّ مجموعة متنوعة من البوليمرات الموصلة ذات أهمية أيضًا في مجال شاشات العرض، بما في ذلك البولي بيرول ، و PEDOT ، والبولي أنيلين . [ 21 ]

تخليق أكسيد التنجستن

استُخدمت طرق عديدة لتصنيع أكسيد التنجستن، منها الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والترسيب بالرش ، والتبخير الحراري ، والتحلل الحراري بالرش (من بخار أو محلول هلامي )، والتخليق الحراري المائي (من سائل). [ 22 ] في الصناعة، يُعد الترسيب بالرش الطريقة الأكثر شيوعًا لترسيب أكسيد التنجستن. أما في تصنيع المواد، فتُستخدم عملية المحلول الهلامي على نطاق واسع نظرًا لمزاياها المتمثلة في بساطة العملية، وانخفاض تكلفتها، وسهولة التحكم بها. [ 23 ]

عملية سول-جل

في عملية سول-جل لأكسيد التنجستن الثلاثي، WClيُذاب المركب 6 في الكحول ثم يُؤكسد بتمريرالأكسجين2 في محلوله:

2WCl6 +3O2 →3WO3 +6Cl2

تكوين Hتتم العملية 2 عن طريق تفاعل الكحول والكلور المستخدم في اختزالWO3 للحصول على محلول أزرق منHWO3 :

(CH3 )2 CH–OH+3Cl2 →(Cl3 ج)2 =O+4H2
2WO3 +H2 →2HWO3

منظمة الضباطيمكن أيضًا الحصول على الجسيمات النانوية الثلاثة عن طريق ترسيب بارا خماسي هيدرات تنجستات الأمونيوم،(NH4+)34 )10 واط12 O41 ⋅5H2O ،أو حمض النيتريك،HNO3 ، في ظل ظروف حمضية من المحاليل المائية. [ 24 ]

مبدأ عمل النوافذ الكهروكرومية

يتطلب تصميم نافذة ذكية وظيفية ذات خصائص كهروضوئية طبقات متعددة. [ 3 ] الطبقة الأولى والأخيرة عبارة عن زجاج شفاف مصنوع من السيليكا ( SiO₂).2 ) يلزم وجود قطبين كهربائيين لتطبيق الجهد، والذي بدوره سيدفع (أو يسحب) أيونات الليثيوم(Li +).تنتقل الأيونات من طبقة تخزين الأيونات عبر الإلكتروليت إلى المادة الكهروكرومية (أو العكس). يؤدي تطبيق جهد عالٍ (4  فولت أو أكثر) إلى دفع أيونات الليثيوم إلى الطبقة الكهروكرومية، مما يُعطّل المادة الكهروكرومية. تصبح النافذة شفافة تمامًا. عند تطبيق جهد أقل (2.5  فولت على سبيل المثال)، ينخفض ​​تركيز أيونات الليثيوم في الطبقة الكهروكرومية، مما يُنشّط أكسيد التنجستن النشط في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. [ 25 ] [ 3 ] يُؤدي هذا التنشيط إلى انعكاس الأشعة تحت الحمراء، مما يُقلل من ظاهرة الاحتباس الحراري ، وبالتالي يُقلل من كمية الطاقة اللازمة لتكييف الهواء. [ 26 ] اعتمادًا على المادة الكهروكرومية المستخدمة، يُمكن حجب أجزاء مختلفة من الطيف، وبهذه الطريقة يُمكن عكس الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء بشكل مستقل حسب رغبة المستخدم. [ 3 ]

التطبيقات

الزجاج الكهروكرومي المُثبَّت في المباني

تم تطوير العديد من الأجهزة الكهروكرومية . ويُستخدم التلوين الكهربائي بشكل شائع في إنتاج النوافذ الكهروكرومية أو " الزجاج الذكي "، [ 3 ] [ 1 ] ومؤخرًا في شاشات العرض الكهروكرومية على ركائز ورقية كنظم مضادة للتزييف مدمجة في التغليف. [ 27 ] وقد دُرست مواد أكسيد النيكل (NiO) على نطاق واسع كأقطاب مضادة للأجهزة الكهروكرومية التكميلية، وخاصةً للنوافذ الذكية. [ 28 ] [ 29 ]

نافذة كهروضوئية على طائرة ركاب من طراز بوينغ 787-8 دريملاينر تابعة لشركة الخطوط الجوية اليابانية (ANA).

تستخدم قطارات ICE 3 فائقة السرعة ألواحًا زجاجية كهروكرومية بين مقصورة الركاب ومقصورة السائق. الوضع القياسي شفاف، ويمكن للسائق تحويله إلى زجاج معتم. [ 30 ] تُستخدم النوافذ الكهروكرومية في طائرة بوينغ 787 دريملاينر على شكل لوحة قابلة للتعتيم بين النافذة الخارجية وغطاء الغبار الداخلي، [ 31 ] مما يسمح للطاقم والركاب بالتحكم في شفافية النوافذ.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 مورتيمر، آر جيه (2011). "المواد الكهروكرومية". المجلة السنوية لبحوث المواد . المجلد  41. الصفحات 241-268 . Bibcode : 2011AnRMS..41..241M . doi : 10.1146/annurev-matsci-062910-100344 . PMID 12449538 .  
  2. ↑ تشوا، مينغ هوي؛ تانغ، تاو؛ أونغ، كوك هاو؛ نيو، وي تينغ؛ شو، جيان وي (2019). "الفصل 1: مقدمة في الكهروكرومية". المواد الذكية الكهروكرومية: التصنيع والتطبيقات . سلسلة المواد الذكية. الجمعية الملكية للكيمياء. الصفحات 1-21 . doi : 10.1039/9781788016667-00001 . ISBN  978-1-78801-143-3S2CID 139718051. تم الاسترجاع في 29 يوليو 2022 . 
  3. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ميلر، بريتني ج. (٨ يونيو ٢٠٢٢). "كيف توفر النوافذ الذكية الطاقة" . مجلة Knowable . doi : 10.1146/knowable-060822-3 . تاريخ الاسترجاع: ١٥ يوليو ٢٠٢٢ .
  4. ↑ سوماني، براكاش ر.؛ رادهاكريشنان، س. (26 سبتمبر 2001). "المواد والأجهزة الكهروكرومية: الحاضر والمستقبل" (ملف PDF) . كيمياء وفيزياء المواد . 77. إلسيفير: 117-133 . doi : 10.1016/S0254-0584(01)00575-2 . S2CID 36550231. تاريخ الاسترجاع: 22 أغسطس 2019 . 
  5. ↑ غرانكفيست، سي جي (2015). "الفتحات لتقليل احتياجات تبريد المباني". مواد صديقة للبيئة لتخفيف احتياجات تبريد المباني . إلسيفير. ص 460-464 . ISBN  978-1-78242-380-5.
  6. ↑ بروس، جيري؛ تشيرنيك، جيري؛ أوربانوفا، مارتينا؛ روهليتشيك، يان؛ بليتشاتشيك، توماش (2020). "نقل أيونات الليثيوم في القنوات النانوية للأطر المعدنية العضوية المرنة التي تحتوي على جزيئات ميتالوكاربوران فائقة الفوضى: آلية التوصيل الأيوني بدقة ذرية" . مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 12 (42): 47447-47456 . doi : 10.1021/acsami.0c12293 . PMID 32975402. S2CID 221918602 .  
  7. 1 2 3 مونك، بي إم إس؛ مورتيمر، آر جيه؛ روسينسكي، دي آر (2007). التلوين الكهربائي والأجهزة الكهروكرومية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-82269-5.
  8. ↑ منشور مرجعي لوكالة ناسا . الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء، فرع المعلومات العلمية والتقنية. 1979. ص. س . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2022 . 
  9. ↑ "ألوان أيونات المعادن الانتقالية في المحلول المائي" . كومباوند إنترست . 5 مارس 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2022 .
  10. ↑ ديبا، م.؛ جوشي، أ.ج.؛ سريفاستافا، أ.ك.؛ شيفابراساد، س.م.؛ أغنيهوتري، س.أ. (2006). "أغشية أكسيد التنجستن النانوية الكهروضوئية بتقنية سول-جل: البنية وخصائص التداخل". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 153 (5): C365. Bibcode : 2006JElS..153C.365D . CiteSeerX 10.1.1.949.7131 . doi : 10.1149/1.2184072 . 
  11. وانغ ، يانغ ؛ رانرستروم ، إيفان ل.؛ ميليرون، ديليا ج. (7 يونيو 2016). "مواد قابلة للتحويل للنوافذ الذكية" . المراجعة السنوية للهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية . 7 (1): 283-304 . doi : 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647 . ISSN 1947-5438 . PMID 27023660. تاريخ الاسترجاع: 29 يوليو 2022 .  
  12. ↑ كان، فابيان؛ كورتوا، كزافييه؛ دوبريه، دانيال (2 يونيو 2021). "المحفزات القائمة على التنجستن للتطبيقات البيئية" (ملف PDF) . المحفزات . 11 (6): 703. doi : 10.3390/catal11060703 . تاريخ الاسترجاع: 29 يوليو 2022 .
  13. ↑ جينمين، وانغ؛ ليجون، هو؛ دونغيون، ما (20 مايو 2021). "مواد وأجهزة أكسيد الموليبدينوم الكهروكرومية" . مجلة المواد غير العضوية . 36 (5): 461. doi : 10.15541/jim20200416 . ISSN 1000-324X . S2CID 229203829 .  
  14. ↑ إيوفجي، كافيت؛ دينين، كريستيان س.؛ رويز-زيبيدا، فرانسيسكو؛ بارتلينج، ستيفان؛ سميرنوف، يوري؛ موراليس-ماسيس، مونيكا ؛ سوساري-آرس، أرتورو؛ جاردينييرز، هان (27 أغسطس 2021). "ضبط لون طبقات ألياف ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية الكهروكرومية المحملة بجزيئات نانوية من المعادن وأكاسيد المعادن للنوافذ الملونة الذكية" . مجلة ACS للمواد النانوية التطبيقية . 4 (8): 8600-8610 . doi : 10.1021/acsanm.1c02231 . ISSN 2574-0970 . PMC 8406417. PMID 34485847 .   
  15. ^ أونج ، غاري ك. سايز كابيزاس، كاميلا أ؛ دومينغيز، مانويل ن.؛ سكيارفو، سوزان لين؛ هيو، سونغيون؛ ميليرون ، ديليا ج. (14 يناير 2020). “أكسيد النيوبيوم الكهربي النانوي”. كيمياء المواد . 32 (1): 468-475 . دوى : 10.1021/acs.chemmater.9b04061 . ردمك 0897-4756 . S2CID 213992620 .  
  16. 1 2 ستريب، لورا؛ باومغارتنر، توماس (1 ديسمبر 2017). "الفايولوجينات وتطبيقاتها كمواد وظيفية" . مجلة الكيمياء الأوروبية . 23 (67): 16924-16940 . doi : 10.1002/chem.201703348 . PMID 28815887. تاريخ الاسترجاع: 29 يوليو 2022 . 
  17. ^ كاثيريسان، موروغافيل؛ أمبروز، بيبين. أنجولاكشمي، ناتاراجان؛ ماثيو، ديبا إليزابيث؛ سوجاثا، دافاماني؛ ستيفان، أرول مانويل (2021). "Viologens: جزيء عضوي متعدد الاستخدامات لتطبيقات تخزين الطاقة". مجلة كيمياء المواد أ . 9 (48): 27215-27233 . دوى : 10.1039 / D1TA07201C . ISSN 2050-7488 . S2CID 244388428 .  
  18. 1 2 3 شاه، كوك وي؛ وانغ، سو-شي؛ سو، ديبي شيانغ يون؛ شو، جيانوي (8 نوفمبر 2019). " مواد كهروكرومية قائمة على الفايولوجين: من الجزيئات الصغيرة والبوليمرات والمركبات إلى تطبيقاتها" . بوليمرات . 11 (11): 1839. doi : 10.3390/polym11111839 . PMC 6918392. PMID 31717323 .  
  19. ↑ دي ماتيس، فاليريا؛ كانافالي، أليساندرو؛ آير، أوبالدو (13 ديسمبر 2020). "ثاني أكسيد التيتانيوم في الأجهزة الملونة: التركيب، والقضايا السمية، وطرق التصنيع" (ملف PDF) . العلوم التطبيقية . 10 (24): 8896. doi : 10.3390/app10248896 . تاريخ الاسترجاع: 29 يوليو 2022 .
  20. ↑ تشنغ، يانشينغ؛ وانغ، جيوي؛ تانغ، شينكياو؛ تشانغ، لي؛ مينغ، فانباو (1 مارس 2020). "السلوك البلوري السائل والخاصية الكهروإجهادية للبلورات السائلة الأيونية القائمة على الفايولوجين" . مجلة السوائل الجزيئية . 301 112369. doi : 10.1016/j.molliq.2019.112369 . ISSN 0167-7322 . S2CID 212774258 .  
  21. ↑ أويانغ، جيانيونغ (سبتمبر 2021). "تطبيق البوليمرات الموصلة ذاتيًا في الإلكترونيات المرنة" . سمارت مات . 2 (3): 263-285 . doi : 10.1002/smm2.1059 . ISSN 2688-819X . S2CID 238642974 .  
  22. ↑ تشنغ، هايدونغ؛ أو، جيان تشن؛ سترانو، مايكل س .؛ كانر، ريتشارد ب.؛ ميتشل، أرنان؛ كلانتر زاده، كورش (24-05-2011). "أكسيد التنجستن النانوي التركيب - الخصائص، والتخليق، والتطبيقات" . مواد وظيفية متقدمة . 21 (12): 2175-2196 . doi : 10.1002/adfm.201002477 . ISSN 1616-301X . S2CID 138637143 .  
  23. ^ لاي، وي هاو؛ سو، ين هسون؛ تيوه، لاي جايك؛ تساي، يوان تسونغ؛ حضرة مين هسيونج (2007). "تخليق جزيئات أكسيد التنغستن بطريقة الترسيب الكيميائي" . معاملات المواد . 48 (6): 1575-1577 . دوى : 10.2320/matertrans.mep2007057 . ردمك 1345-9678 . 
  24. ↑ سوبوثينا، سيثيسونتورن؛ سيهاراج، بانبيلين؛ يوريا، سوراشون؛ سريودثساك، مانا (أغسطس 2007). "تخليق جسيمات أكسيد التنجستن النانوية بطريقة الترسيب الحمضي". سيراميكس إنترناشونال . 33 (6): 931-936 . doi : 10.1016/j.ceramint.2006.02.007 . ISSN 0272-8842 . 
  25. ↑ وودفورد، كريس (23 أبريل 2021). "كيف تعمل النوافذ الكهروكرومية (الزجاج الذكي)؟" . موقع Explain that Stuff . تاريخ الاسترجاع: 29 يوليو 2022 .
  26. ↑ "النوافذ الذكية التي تحمي من الإشعاع الشمسي يمكن أن تساعد في الحد من انبعاثات الغازات الدفيئة" . Tech Xplore . 1 سبتمبر 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2022 .
  27. ↑ غلوجيك، إيديس؛ فوتش، رومان؛ ثينو، فيكتور؛ إغليسياس، أنطوان؛ جويارد-بيتيو، بلاندين؛ ديبريس، غايل؛ روجييه، ألين ؛ سونيمان، غيدو (6 سبتمبر 2021). "تطوير إلكترونيات ذكية صديقة للبيئة لمكافحة التزييف والكشف عن الصدمات باستخدام أحبار قابلة للطباعة" . مجلة ACS للكيمياء والهندسة المستدامة . 9 (35): 11691-11704 . doi : 10.1021/acssuschemeng.1c02348 . ISSN 2168-0485 . S2CID 238705710 .  
  28. ↑ إسلام، شاكرول م.؛ هيرنانديز، تايلر س.؛ ماكجيهي، مايكل د .؛ باريل، كريستوفر ج. (مارس 2019). "نوافذ ديناميكية هجينة باستخدام الترسيب الكهربائي العكسي للمعادن وإدخال الأيونات" (ملف PDF) . مجلة نيتشر للطاقة . 4 (3): 223-229 . Bibcode : 2019NatEn...4..223I . doi : 10.1038/ s41560-019-0332-3 . OSTI 1688410. S2CID 186288929 .  
  29. ↑ تشين، بو-وين؛ تشانغ، تشين-تي؛ كو، تيان-فو؛ هسو، شنغ-تشوان؛ لي، كي-دينغ؛ وو، جين-يو (21 مايو 2020). "استجابة سريعة لجهاز كهروكرومي تكميلي قائم على أقطاب WO3/NiO" . التقارير العلمية . 10 (1): 8430. Bibcode : 2020NatSR..10.8430C . doi : 10.1038/ s41598-020-65191 -x . ISSN 2045-2322 . PMC 7242463. PMID 32439890 .   
  30. ↑ "تقديم قطارات السكك الحديدية الألمانية السريعة بين المدن" . الرجل في المقعد 61. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2022 .
  31. ↑ «ستقوم شركة PPG بتصنيع نوافذ مقصورة ذات تعتيم إلكتروني لطائرات بوينغ 787» . هانتسفيل، ألاباما: مجلة الإلكترونيات العسكرية والفضائية. 16 ديسمبر 2005.

للمزيد من القراءة