محققان با استفاده از مکانیک کوانتومی و یادگیری ماشینی، پوشش شیشه ای شفافی ساخته اند که نور مرئی را از خود عبور می دهد اما نورهای گرمایش فرابنفش و مادون قرمز را مسدود می کند. صرف نظر از موقعیت خورشید در آسمان، این پوشش باعث کاهش دمای اتاق و صرفه جویی در مصرف انرژی مربوط به دستگاه های خنک کننده می شود.
به گزارش دیجیاتو، در روزهای گرم، بیش از 87 درصد گرمای یک اتاق از پنجره ها می آید. اشعه ماوراء بنفش به راحتی از شیشه عبور می کند و اتاق را گرم می کند. این منجر به نیاز به روشن کردن کولر یا مسدود کردن کامل نور (و همراه با آن منظره از پنجره) می شود.
محققان دانشگاه نوتردام پوششی برای پنجره ابداع کرده اند که نور فرابنفش و مادون قرمز را مسدود می کند و فقط نور مرئی را به اتاق می دهد. این پوشش مانند عینک آفتابی پولاروید است، اما در زوایای مختلف شفاف باقی می ماند.
یکی از معایب پوشش های فعلی پنجره این است که برای نور 90 درجه بهینه شده اند. بنابراین توانایی آنها در جلوگیری از نور با حرکت خورشید در آسمان کاهش می یابد. در بعدازظهرهای گرم تابستان، نور خورشید با زاویه به این دریچه ها برخورد می کند و همچنان اتاق را به میزان قابل توجهی گرم می کند.
ساختار لایه ای پوشش طراحی شده
این پوشش به نور مرئی اجازه عبور می دهد.
ساخت یک پوشش شیشه ای موثر
محققان دانشگاه نوتردام شیشه خود را با استفاده از ساختارهای چند لایه فوتونیک مسطح (PML) ساخته اند. این ساختار شامل لایه های فوق نازک است که دارای ضریب شکست متفاوتی هستند. در نتیجه نور با توجه به طول موج از شیشه عبور می کند یا منعکس می شود.
این پوشش جدید از لایه‌هایی از دی اکسید سیلیکون، آلومینا و اکسید تیتانیوم بر روی یک بستر شیشه‌ای تشکیل شده است که در بالای آن لایه‌ای از پلیمر سیلیکون پلی‌دی‌متیل سیلوکسان (PDMS) برای بازتاب تابش حرارتی قرار دارد. این پوشش می تواند اشعه های گرمایش را در هر زاویه ای منعکس کند.
محققان به جای استفاده از آزمون و خطا، پوشش جدید خود را با استفاده از مدل یادگیری ماشینی مبتنی بر محاسبات کوانتومی ساختند. این مدل یک مدل یادگیری فعال است که الگوریتم آن به کاربر اجازه می دهد تا داده ها را در حین پردازش برچسب گذاری کند و از خنک کننده کوانتومی برای یافتن ترکیب بهینه مولفه ها استفاده می کند.
این روش یادگیری ماشینی به محققان کمک کرد تا ترکیب ساختارهای PML را بدون نیاز به آزمون و خطا و با برتری مطلق نسبت به الگوریتم‌های معمولی بهینه کنند.
با استفاده از نتایج، محققان یک پوشش شفاف ایجاد کردند که به طور انتخابی نور را منتقل یا منعکس می کند. آنها این پوشش را در فضای باز آزمایش کردند و آن را با شیشه معمولی مقایسه کردند. شیشه روکش دار عملکرد قابل توجهی داشت و قادر بود دما را بین 5.4 تا 7.2 درجه سانتیگراد در طیف وسیعی از زوایای تابش کاهش دهد.
آنها همچنین نشان دادند که تمام شهرهای آمریکا در صورت استفاده از این پوشش ها می توانند تا 97.5 مگاژول در هر متر مربع انرژی در سال صرفه جویی کنند.
محققان پیش بینی می کنند که این پوشش کاربردهای زیادی خواهد داشت. از جمله در ساختمان های تجاری و مسکونی و همچنین در خودروها. گام بعدی آنها این است که پوشش خود را برای تولید انبوه ارزان آماده کنند.
