La ventana inteligente se oscurece en segundos con solo tocar un botón

Investigación de materiales

22 de noviembre de 2025 20:31
Dennis L.

El acristalamiento determina en gran medida la cantidad de luz solar y calor que entra en los edificios y, por tanto, cuánta energía se necesita para calefacción, refrigeración e iluminación. Un vidrio inteligente electrocrómico desarrollado recientemente utiliza una capa organometálica que cambia con precisión sus propiedades ópticas cuando se aplica voltaje. El cambio de color varía de casi incoloro a verde y marrón intenso y se produce en cuestión de segundos. Al mismo tiempo, el recubrimiento permanece estable durante numerosos ciclos de conmutación. La pregunta es si estos materiales pueden dar el paso de la escala de laboratorio a la aplicación en fachadas a gran escala y convertirse así en un componente importante para edificios energéticamente eficientes.

Las ventanas no sólo determinan la vista y la luz natural, sino también una gran parte del flujo de energía en los edificios. Alrededor del 40 por ciento del consumo final de energía en todo el mundo proviene de los edificios, y aproximadamente la mitad del mismo proviene de la calefacción, la refrigeración y la iluminación. Una proporción significativa de esta energía se pierde a través del acristalamiento porque sólo deja pasar pasivamente la luz solar y la radiación térmica. Desde hace varios años, los investigadores trabajan en vidrio electrocrómico cuya transmisión y absorción de luz se pueden controlar activamente aplicando tensión. Prototipos de laboratorio, como una ventana electrocrómica de doble banda con una estructura de nanocables, muestran que la radiación visible y la infrarroja cercana se pueden modular por separado, aumentando así significativamente la eficiencia energética de los edificios. Para que estos sistemas trasciendan el laboratorio y lleguen a las fachadas, deben cambiar rápidamente, mantener el color estable y funcionar de manera confiable durante decenas de miles de ciclos.

Un desafío clave es encontrar materiales que sean a la vez lo suficientemente porosos para un rápido transporte de iones, químicamente estables y capaces de procesarse en capas finas y transparentes. Especialmente prometedores son los compuestos estructurales organometálicos, abreviados MOF, que están formados por nodos metálicos y ligandos orgánicos y tienen un sistema de poros finamente ajustable. Este tipo de redes ya se utilizan para filtrar selectivamente dióxido de carbono de gases de escape húmedos y, en principio, también pueden utilizarse como capa activa en componentes electroquímicos. Un compuesto de estructura organometálico hecho a medida del tipo Ni-IRMOF-74 forma ahora el núcleo de una ventana inteligente en la que se aplican películas delgadas y transparentes al vidrio conductor y las propiedades ópticas se pueden cambiar específicamente utilizando iones migratorios.

Ventanas electrocrómicas: principio y enfoques previos

El vidrio electrocrómico se basa en el hecho de que cuando se aplica voltaje, los iones se incrustan en una fina capa activa o se liberan nuevamente, cambiando así las propiedades ópticas del material. Los sistemas clásicos utilizan óxidos de metales de transición como el óxido de tungsteno, que cambian de color cuando se incorporan pequeños cationes y dejan pasar menos luz. Los enfoques más nuevos combinan múltiples materiales electrocrómicos para controlar por separado la luz visible y la radiación infrarroja cercana. En la revista especializada Nano-Micro Letters se presentó, por ejemplo, una ventana electrocrómica de doble banda que puede modular la transmitancia tanto en el rango visible como en el infrarrojo cercano en más de un 70 por ciento y que, incluso después de 10.000 ciclos de conmutación, sólo muestra una pérdida de capacidad de un pequeño porcentaje. Estos conceptos demuestran que, en principio, los recubrimientos activos pueden permanecer permanentemente estables siempre que se mantengan en equilibrio el transporte de iones y las tensiones mecánicas en el material.

• Alto contraste óptico entre los estados transparente y oscurecido.
• Tiempos de conmutación rápidos en el rango de unos pocos segundos
• Bajos voltajes de funcionamiento en el rango de voltios de un solo dígito
• Rendimiento estable durante decenas de miles de ciclos electroquímicos
• Procesos de recubrimiento escalables para grandes superficies de vidrio

Además de las clásicas capas inorgánicas, cada vez se presta más atención a los materiales híbridos y porosos, que aceleran el transporte de iones y, por tanto, permiten tiempos de conmutación más cortos. Las nanoestructuras porosas aumentan el área de la superficie interna y proporcionan sitios de unión adicionales para partículas cargadas, pero también pueden crear puntos débiles mecánicos si la estructura se deforma significativamente con cada inserción y eliminación de iones. Las redes organometálicas ofrecen aquí una interesante posición intermedia: combinan la estructura cristalina definida de los sólidos inorgánicos con la variabilidad química de los ligandos orgánicos. Esto permite diseñar canales y cavidades para que los iones puedan difundirse lo más fácilmente posible sin destruir la rejilla. El sistema que ahora se está examinando basado en Ni-IRMOF-74 sigue exactamente este enfoque.

Compuesto de estructura organometálica Ni-IRMOF-74 en la ventana inteligente

El sistema presentado ahora es el primero en utilizar un compuesto estructural organometálico del tipo Ni-IRMOF-74 como capa electrocrómicamente activa. En esta estructura, los centros de níquel están unidos mediante ligandos de dicarboxilato a base de bifenilo para formar una red porosa cuyo diámetro de poro y estructura cristalina favorecen el transporte de iones. El equipo de investigación de Xueying Fan aplicó películas delgadas de Ni-IRMOF-74 a óxido de estaño dopado con flúor, cuya superficie se funcionalizó previamente con ácido 4-mercaptobenzoico para garantizar una unión estable de la película. En ACS Energy Letters, los investigadores informan que pueden producir capas homogéneas de sólo unos pocos micrómetros de espesor que permanecen transparentes y aún tienen una alta actividad electroquímica. El compuesto estructural organometálico Ni-IRMOF-74 actúa como un espacio de almacenamiento definido para cargas e iones.

Para convertirla en una ventana inteligente, los investigadores combinaron la película Ni-IRMOF-74 con un electrolito en gel a base de perclorato de litio. Entre dos electrodos transparentes se crea un sándwich de vidrio conductor, una capa organometálica y un polímero conductor de iones. Si se aplica una tensión baja de aproximadamente 0,8 voltios, los iones de litio migran del electrolito a las cavidades de la estructura estructural y cambian su estado electrónico; El vidrio, que antes era casi incoloro, se vuelve verde y absorbe parte de la luz visible. Si se aumenta el voltaje a aproximadamente 1,6 voltios, aumenta la incorporación de iones, el recubrimiento adquiere un color de rojo oscuro a marrón y el vidrio electrocrómico deja pasar sólo un poco de luz. Si se invierte la polaridad del voltaje, el proceso se invierte y la ventana vuelve a ser transparente.

Velocidad de conmutación, cambio de color y estabilidad del ciclo.

Lo decisivo para el uso práctico es la rapidez y la frecuencia con la que se puede cambiar un sistema de este tipo sin perder sus propiedades. Los investigadores primero determinaron las propiedades electrocrómicas de la capa pura de Ni-IRMOF-74 en la muestra de laboratorio. La versión optimizada de la película cambió entre los estados transparente y coloreado con tiempos de respuesta de aproximadamente 1,9 segundos para colorear y 2,0 segundos para aclarar. Con alrededor de 331 centímetros cuadrados por culombio, la eficiencia del cambio de color estuvo muy por encima de los valores de muchos materiales establecidos, lo que significa que incluso pequeñas cantidades de carga marcan una gran diferencia en la transmisión de luz. En ciclos repetidos, la película aún conservaba alrededor del 95,7 por ciento de su modulación óptica original después de 4.500 operaciones de conmutación, lo que sugiere una inserción y eliminación robustas de los iones en la estructura organometálica.

En el siguiente paso, el equipo integró el recubrimiento en una configuración electrocrómica completa con dos paneles de vidrio y un electrolito de gel cerrado. Esta combinación dio como resultado una dinámica algo más lenta pero aún práctica para la ventana inteligente: la transmisión cambió en aproximadamente 2,3 segundos al oscurecer y volvió a alcanzar el estado claro después de aproximadamente 7,9 segundos al iluminarse. También en este caso la función se mantuvo durante al menos 1.200 ciclos de conmutación, midiendo todavía alrededor del 85 por ciento del contraste inicial entre los estados claros y oscuros. En ambos modos de color, el revestimiento no sólo cambia la impresión subjetiva de luminosidad, sino que también influye en la cantidad de radiación térmica que entra en la habitación, lo cual es importante para el futuro acoplamiento con sistemas de control de iluminación y aire acondicionado.

Perspectivas de eficiencia energética de los edificios

La combinación de respuesta rápida, alta eficiencia de cambio de color y buena estabilidad del ciclo que ahora se ha demostrado deja un progreso claro, aunque aún temprano, hacia ventanas MOF electrocrómicas que sean adecuadas para el uso diario. Se trata todavía de áreas de prueba relativamente pequeñas en el laboratorio y aún están abiertos aspectos como el recubrimiento de grandes superficies, la estabilidad a largo plazo en condiciones climáticas reales o la integración en sistemas de fachada existentes. Sin embargo, las simulaciones de otros conceptos electrocrómicos muestran que los acristalamientos adaptativos pueden reducir las necesidades de calefacción y refrigeración de un edificio hasta en un 20 por ciento si reaccionan específicamente a la radiación solar y al clima exterior. En el futuro, las ventanas inteligentes basadas en Ni-IRMOF-74 o redes organometálicas relacionadas no solo podrían reemplazar parcialmente las persianas y las películas de protección solar, sino que también podrían integrarse en controles de edificios que coordinen los requisitos de iluminación, temperatura y energía en tiempo real y así aumentar la eficiencia energética de los edificios.

ACS Energy Letters, película Ni-IRMOF-74 a base de bifenil dicarboxílico para electrocromismo de conmutación rápida y alta estabilidad; doi:10.1021/acsenergylett.4c00492
Nano-Micro Letters, un dispositivo electrocrómico de doble banda bifuncional, eficiente y flexible que se integra con el almacenamiento de energía; doi:10.1007/s40820-024-01604-0