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 ingresa a los edificios y, por lo tanto, cuánta energía se necesita para calefacción, refrigeración e iluminación. Un vidrio electrocrómico inteligente recientemente desarrollado 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 después de numerosos ciclos de conmutación. La pregunta es si estos materiales pueden pasar de la escala de laboratorio a la aplicación en fachadas a gran escala y convertirse así en un elemento importante para edificios energéticamente eficientes.

Las ventanas no sólo determinan las vistas y la luz natural, sino también una gran parte del flujo de energía en los edificios. Alrededor del 40% del consumo mundial de energía final proviene de los edificios, del cual aproximadamente la mitad proviene de calefacción, refrigeración e iluminación. Una parte importante de esta energía se dispersa a través del vidrio, ya que 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. Los prototipos de laboratorio, como una ventana electrocrómica de doble banda con estructura de nanocables, muestran que la radiación visible y la del infrarrojo cercano se pueden modular por separado, aumentando así significativamente la eficiencia energética de los edificios. Para que estos sistemas vayan más allá del 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 delgadas y transparentes. Particularmente prometedores son los compuestos estructurales organometálicos, o MOF, por sus siglas en inglés, que consisten en nodos metálicos y ligandos orgánicos y tienen un sistema de poros finamente sintonizable. 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. Una estructura organometálica hecha a medida del tipo Ni-IRMOF-74 forma ahora el núcleo de una ventana inteligente en la que se aplican películas finas y transparentes al vidrio conductor y las propiedades ópticas se pueden cambiar específicamente mediante 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% y que, incluso después de 10.000 ciclos de conmutación, solo muestra una pérdida de capacidad de unos pocos puntos porcentuales. Estos conceptos demuestran que los recubrimientos activos pueden, en principio, 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 del orden de unos pocos segundos.
• Bajos voltajes de operación 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 son más importantes los materiales híbridos y porosos, que aceleran el transporte de iones y, por tanto, permiten tiempos de conmutación más cortos. Las nanoestructuras porosas aumentan 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 aglutinantes orgánicos. Esto permite diseñar canales y cavidades para que los iones puedan difundirse lo más fácilmente posible sin destruir la rejilla. El sistema actualmente bajo investigación basado en Ni-IRMOF-74 sigue exactamente este enfoque.

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

El sistema presentado ahora es el primero en utilizar un compuesto organometálico del tipo Ni-IRMOF-74 como capa electrocrómicamente activa. En esta estructura, los centros de níquel están conectados 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 grupo de investigación de Xueying Fan aplicó películas delgadas de Ni-IRMOF-74 a óxido de estaño dopado con flúor, cuya superficie había sido funcionalizada 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 solo unos pocos micrómetros de espesor que permanecen transparentes y aún tienen una alta actividad electroquímica. El compuesto organometálico Ni-IRMOF-74 sirve como espacio de almacenamiento definido para cargas e iones.

Para convertirla en una ventana inteligente, los investigadores combinaron una película de Ni-IRMOF-74 con un electrolito en gel a base de perclorato de litio. Entre dos electrodos transparentes se crea un sándwich formado por vidrio conductor, una capa organometálica y un polímero conductor de iones. Si se aplica un voltaje bajo 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, aparece verde y absorbe algo de luz visible. Si el voltaje se aumenta a aproximadamente 1,6 voltios, la absorción de iones aumenta, el recubrimiento se vuelve de color rojo oscuro a marrón y el vidrio electrocrómico deja pasar poca luz. Si 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 que es crítico para el uso práctico es la rapidez y 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 cambia entre los estados transparente y teñido con tiempos de respuesta de aproximadamente 1,9 segundos para teñir y 2,0 segundos para aclarar. Con alrededor de 331 centímetros cuadrados por culombio, la eficiencia del cambio de color estaba 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 aproximadamente el 95,7% de su modulación óptica original después de 4.500 operaciones de conmutación, lo que sugiere una inserción y eliminación robustas de iones en la estructura organometálica.

En el siguiente paso, el equipo integró el recubrimiento en una configuración electrocrómica completa con dos placas de vidrio y un electrolito de gel cerrado. Esta combinación resultó en una dinámica algo más lenta pero aún práctica para la ventana inteligente: la transmisión cambió en aproximadamente 2,3 segundos cuando oscurece y alcanza nuevamente el estado de luz después de aproximadamente 7,9 segundos cuando se ilumina. Nuevamente la función se mantuvo durante al menos 1200 ciclos de conmutación, mientras todavía se medía aproximadamente el 85% 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 que es importante para el futuro acoplamiento con sistemas de control de clima e iluminación.

Perspectivas de la eficiencia energética de los edificios

La combinación de respuesta rápida, alta eficiencia de cambio de color y buena estabilidad del ciclo ahora demostrada deja un progreso claro, pero aún temprano, hacia ventanas MOF electrocrómicas 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% si reaccionan específicamente a la radiación solar y al clima exterior. En el futuro, las ventanas inteligentes basadas en Ni-IRMOF-74 o mallas organometálicas relacionadas no solo podrían reemplazar parcialmente las contraventanas y las películas de protección solar, sino que también podrían integrarse en los controles de los edificios que coordinan los requisitos de iluminación, temperatura y energía en tiempo real y, por lo tanto, aumentan la eficiencia energética de los edificios.

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