Vědcům z výzkumného centra NTIS při Fakultě aplikovaných věd ZČU v Plzni se letos podařilo vyřešit jednu ze zásadních překážek výroby chytrých oken. Svůj úspěch prezentovali na Mezinárodní konferenci o reaktivním naprašování tenkých vrstev.
Jedním z významných témat konference, která se konala od 4. do 6. prosince v plzeňském hotelu Angelo, byla problematika termochromických povlaků na skle. Ty dokáží samovolně řídit průchod tepelného slunečního záření v závislosti na teplotě. Technologie výroby takových chytrých oken zatím neexistuje. Změnit by se to mohlo i díky výzkumníkům z NTIS, kteří pracují na odstranění několika problémů.
Jak vyrobit povlak na skle, který bude v závislosti na teplotě řídit průchod tepelného slunečního záření, je téma, kterým se zabývá mnoho výzkumných týmů po celém světě. Termochromický efekt, na němž jsou budoucí chytrá okna založena, je znám už od roku 1959. Zajišťuje ho jeden typ kysličníku vanadičitého (VO2) se specifickou strukturou. „Kysličník vanadičitý je termochromický materiál, který při teplotě 68 °C změní své vlastnosti. Pod úrovní této teploty se chová jako polovodič s vysokou propustností infračerveného, tedy tepelného, slunečního záření a nad úrovní 68 °C se chová jako kov, který tepelné záření odráží," vysvětluje princip profesor Jaroslav Vlček z výzkumného centra NTIS.
„Tento jev radikálně promění využívání klimatizace v budovách i v autech," upozorňuje Vlček. Technologie výroby chytrých oken s kysličníkem vanadičitým má však řadu úskalí. Z hlediska průmyslu je zásadním problémem příliš vysoká teplota (400 - 450 °C), při které se požadovaný typ termochromického VO2 obvykle připravuje, a tedy vysoká energetická a finanční náročnost příliš komplikované technologie. Navíc by při takto vysokých teplotách nebylo možné využívat pro výrobu chytrých oken klasické sodnovápenaté sklo, protože u něj dochází při teplotách nad 300 °C k difuzi sodíku do povlaku, což je nežádoucí efekt. Muselo by se proto využívat sklo jiného složení, které by však výrobu opět prodražilo.
Plzeňští vědci našli řešení. Vyvinuli novou plazmovou technologii pro přípravu termochromických vrstev VO2 při teplotách nižších než 300 °C, a to na klasickém sodnovápenatém skle. Jedná se o reaktivní naprašování vrstev VO2 z vanadového terče ve směsi argonu a kyslíku v magnetickém poli v hustém pulzujícím výbojovém plazmatu za nízkých tlaků, což je technologie kompatibilní s průmyslovými zařízeními. „Naše metoda, využívající husté pulzující výbojové plazma, je založena na tom, že energii nutnou pro vznik požadované struktury termochromické vrstvy dodávají urychlené nabité částice vanadu, ale i argonu a kyslíku z výboje. Proto může být teplota nižší," doplňuje Jaroslav Vlček. Výboj je udržován použitím metody a zařízení pro vytváření nevodivých vrstev, které vědci ze ZČU patentovali v roce 2015 v EU, v roce 2016 v Číně a v roce 2017 v USA.
Teplota přípravy vrstev není však jedinou překážkou průmyslového využití. Velkým problémem je i poměrně vysoká teplota, při níž nastane kýžený efekt, kdy se okna pro infračervené sluneční záření „uzavřou". „V současné době dokážeme tohoto jevu dosáhnout už při 40 °C. Chtěli bychom ale dojít až ke 25 - 30 °C," říká Jaroslav Vlček. Současně vědci pracují i na zvýšení propustnosti viditelného spektra slunečního záření a také na přijatelném zabarvení skel. Oxid vanadičitý totiž způsobuje jejich nevzhledné zažloutnutí. „Věřím, že jsme na dobré cestě, abychom nedostatky termochromických vrstev překonali, a to přípravou povlaku tvořeného více různými tenkými vrstvami, které budou zajišťovat požadované vlastnosti. Aktivní vrstva bude na bázi VO2," popisuje Jaroslav Vlček a upozorňuje, že plzeňský tým výzkumného centra NTIS pravděpodobně jako jediný řeší všechny problémy přípravy vrstev VO2 souběžně. Má tak možná k chytrým oknům nejblíže. Je jisté, že pokud se vše podaří, bude mít řešení plzeňských fyziků podobu tenké multivrstvy zajišťující požadované vlastnosti chytrých oken.