Electrocromismo

Electrocromismo es un fenómeno en el que un material muestra cambios de color u opacidad en respuesta a un estímulo eléctrico. De esta manera, una ventana inteligente hecha de un material electrocrómico puede bloquear longitudes de onda específicas de luz ultravioleta, visible o infrarroja (casi). La capacidad de controlar la transmitancia de la luz infrarroja cercana puede aumentar la eficiencia energética de un edificio, reduciendo la cantidad de energía necesaria para enfriar durante el verano y calentar durante el invierno.

Como el cambio de color es persistente y solo es necesario aplicar energía para efectuar el cambio, se utilizan materiales electrocrómicos para controlar la cantidad de luz y calor que se permite pasar a través de una superficie, más comúnmente "ventanas inteligentes" ;. Una aplicación popular es la industria del automóvil, donde se utiliza para teñir automáticamente los espejos retrovisores en diversas condiciones de iluminación.

Principio

El fenómeno del electrocromismo ocurre en algunos óxidos de metales de transición que conducen tanto electrones como iones, como el trióxido de tungsteno (WO₃). Estos óxidos tienen estructuras octaédricas de oxígeno que rodean un átomo metálico central y están unidas en las esquinas. Esta disposición produce una estructura nanoporosa tridimensional con "túneles" entre segmentos octaédricos individuales. Estos túneles permiten que los iones disociados atraviesen la sustancia cuando son motivados por un campo eléctrico. Los iones comunes utilizados para este propósito son H⁺ y Li⁺.

El campo eléctrico suele ser inducido por dos electrodos planos y transparentes que intercalan las capas que contienen iones. A medida que se aplica un voltaje a través de estos electrodos, la diferencia de carga entre los dos lados hace que los iones penetren en el óxido a medida que los electrones de equilibrio de carga fluyen entre los electrodos. Estos electrones cambian la valencia de los átomos metálicos del óxido, reduciendo su carga, como en el siguiente ejemplo del trióxido de tungsteno:

WO
₃ + n()H⁺
+ e⁻) → H
_nWO
₃

Esta es una reacción redox ya que el metal electroactivo acepta electrones de los electrodos, formando una media celda. En sentido estricto, el electrodo como unidad química comprende tanto la placa plana como la sustancia semiconductora en contacto con ella. Sin embargo, el término "electrodo" a menudo se refiere únicamente a la(s) placa(s) plana(s), más específicamente llamada "sustrato" del electrodo.

Los fotones que alcanzan la capa de óxido pueden hacer que un electrón se mueva entre dos iones metálicos cercanos. La energía proporcionada por el fotón provoca el movimiento de un electrón que a su vez provoca la absorción óptica del fotón. Por ejemplo, el siguiente proceso ocurre en óxido de tungsteno para dos iones de tungsteno a y b:

W⁵⁺
_a + W⁶⁺
_b + foton → W⁶⁺
_a + W⁵⁺
_b

Materiales electrocrómicos

Los materiales electrocrómicos, también conocidos como cromóforos, afectan el color óptico o la opacidad de una superficie cuando se aplica un voltaje. Entre los óxidos metálicos, el óxido de tungsteno (WO₃) es el material electrocrómico más estudiado y conocido. Otros incluyen óxidos de molibdeno, titanio y niobio, aunque son menos eficaces ópticamente.

Los viológenos son una clase de materiales orgánicos que se están investigando intensamente para aplicaciones electrocrómicas. Estos compuestos de 4,4′-bipiridina muestran cambios de color reversibles entre un color incoloro y un azul intenso debido a reacciones redox. Los investigadores pueden "sintonizar" a un azul intenso o un verde intenso.

Como materiales orgánicos, los viológenos se consideran alternativas prometedoras para aplicaciones electrónicas, en comparación con los sistemas basados en metales, que tienden a ser costosos, tóxicos y un problema de reciclaje. Las posibles ventajas de los viológenos incluyen su contraste óptico, eficiencia de coloración, estabilidad redox, facilidad de diseño y potencial de ampliación para la preparación de áreas grandes.

Gentex Corporation, que ha comercializado espejos retrovisores con atenuación automática y ventanas inteligentes en aviones Boeing 787, ha utilizado viológenos con fenilendiamina. Viologen se ha utilizado junto con dióxido de titanio (TiO₂, también conocido como titania) en la creación de pequeñas pantallas digitales. También son de interés para las pantallas una variedad de polímeros conductores, incluidos el polipirrol, PEDOT y la polianilina.

Síntesis de óxido de tungsteno

Se han utilizado muchos métodos para sintetizar óxido de tungsteno, incluida la deposición química de vapor (CVD), la pulverización catódica, la evaporación térmica, la pirólisis por pulverización (a partir de un vapor o sol-gel) y la síntesis hidrotermal (a partir de un líquido). En la industria, la pulverización catódica es el método más común para la deposición de óxido de tungsteno. Para la síntesis de materiales, el proceso sol-gel se utiliza ampliamente debido a sus ventajas de proceso simple, bajo costo y fácil control.

Proceso sol-gel

En el proceso sol-gel del trióxido de tungsteno, WCl
₆ se disuelve en alcohol y luego se oxida mediante purga O
₂ en su solución:

2WCl
₆ + 3O
₂ → 3WO
₃ + 6Cl
₂

La formación de H
₂ se realiza mediante la reacción del alcohol y el cloro que se utiliza para la reducción de WO
₃ para obtener una solución azul de HWO
₃</span :

(CH)
₃)
₂CH-OH + 3Cl
₂ → (Cl)
₃C)
₂= O + 4H
₂

2WO
₃ + H
₂ → 2HWO
₃

WO
₃ nanopartículas también se pueden obtener mediante precipitación de tungstato de amonio para pentahidrato, (NH
₄)
₁₀W
>₁₂O
₄₁ ⋅5H
₂O, o ácido nítrico, HNO
>₃ , en condiciones ácidas a partir de soluciones acuosas.

Principio de funcionamiento de las ventanas electrocrómicas

Se necesitan varias capas para una ventana inteligente funcional con características electrocrómicas. El primero y el último son vidrio transparente hecho de sílice (SiO
₂), los dos electrodos son necesarios para aplicar el voltaje, que a su vez empujará (o tirará) Li⁺
iones de la capa de almacenamiento de iones, a través del electrolito hacia el material electrocrómico (o vice viceversa). La aplicación de alto voltaje (4 V o más) empujará los iones de litio hacia la capa electrocrómica, desactivando el material electrocrómico. La ventana es completamente transparente ahora. Al aplicar un voltaje más bajo (2,5 V, por ejemplo), la concentración de iones de Li en la capa electrocrómica disminuye, activando así el óxido de tungsteno activo (N)IR. Esta activación provoca la reflexión de la luz infrarroja, reduciendo así el efecto invernadero, lo que a su vez reduce la cantidad de energía necesaria para el aire acondicionado. Dependiendo del material electrocrómico utilizado, se pueden bloquear diferentes partes del espectro, de esta manera la luz UV, visible e IR se pueden reflejar de forma independiente a voluntad del usuario.

Aplicaciones

Se han desarrollado varios dispositivos electrocrómicos. El electrocromismo se utiliza habitualmente en la producción de ventanas electrocrómicas o “vidrios inteligentes” y, más recientemente, pantallas electrocrómicas sobre sustrato de papel como sistemas antifalsificación integrados en los envases. Los materiales de NiO se han estudiado ampliamente como contraelectrodos para dispositivos electrocrómicos complementarios, particularmente para ventanas inteligentes.

Los trenes de alta velocidad ICE 3 utilizan paneles de vidrio electrocrómico entre el habitáculo y la cabina del conductor. El modo estándar es claro y el conductor puede cambiarlo a esmerilado. En el Boeing 787 Dreamliner se utilizan ventanas electrocrómicas, lo que permite a la tripulación y a los pasajeros controlar la transparencia de las ventanas y evitar el deslumbramiento.