1765769453
2025-12-15 00:07:00
ほとんどの建物では、エネルギー損失に関して窓が構造の中で最も脆弱な部分のままです。世界中で、建物は総エネルギー使用量の約 40% を占めており、その多くは屋内空間を快適に保つために費やされています。そのエネルギーのかなりの部分が壁、屋根、そして特に窓を通して逃げます。窓は建物の外側の約 8% しか覆わないことがよくありますが、出入りする熱のほぼ半分を占める可能性があります。大きなガラス面を備えた現代の住宅では、その割合はさらに高くなる可能性があります。
エンジニアは長い間、壁と同じように断熱しながらもガラスのように透明な素材を探してきました。真空断熱ガラスや透明エアロゲルなどの選択肢はありますが、それぞれに欠点があります。これらの材料はコストが高く、大量生産が困難であったり、厚さが増すと曇りやすくなったりする場合があります。エアロゲルの厚さが数ミリメートルを超えると、光が散乱して透明度が失われ、窓への使用が制限されます。
課題は構造にあります。多くの断熱材は空気を閉じ込めることに依存していますが、内部の細孔のサイズが大きすぎると、光が散乱して熱が通過してしまいます。理想的な窓断熱材が適切に機能するためには、可視光よりも小さく、空気分子が衝突するまでに移動する距離よりも小さい細孔が必要です。室内条件では、その距離は約 60 ナノメートルです。
エルド・エイブラハム氏（左）とテウ・リー氏（右）は、透明なプラスチックに貼り付けられた薄い餅のシートを掲げています。(クレジット: Glenn J. Asakawa/CU Boulder)
「Frozen Air」に対する透明性の高い解釈
の研究者 コロラド大学ボルダー校 彼らは解決策を見つけたと信じています。そこの物理学者は、メソポーラス光学的に透明な断熱材 (MOCHI) として知られる新しい透明な断熱材を開発しました。この素材は、高度に制御された冷凍空気のように動作し、ほとんど目に見えないまま熱を閉じ込めます。
MOCHI は、非常に均一なパターンで配置された中空シリコーン ナノチューブのネットワークで構成されています。空気がその体積の 90% 以上を占めますが、強固なフレームワークによりエア ポケットが安定して均等な間隔に保たれます。固体材料の使用をわずか 5% ～ 15% に制限することで、チームは低熱流と高い透明性の両方を実現しました。
テストの結果、薄い MOCHI シートは可視光を 99% 以上透過し、曇りがほとんどないことがわかりました。通常の窓ガラスの透過率は通常 92% 未満です。同時に、MOCHI は静止空気の半分以下の速度で熱を伝導します。この研究の上級著者でボルダー大学の物理学教授であるイワン・スマリュク氏によると、そのバランスはとらえどころがありません。
「熱交換を防ぐには、壁に断熱材をたくさん入れることができますが、窓は透明でなければなりません」とスマリュク氏は言う。 「透明な絶縁体を見つけるのは非常に困難です。」
研究チームは調査結果を雑誌で報告した 科学。
シャクシ・バルドワジさんは、さまざまなサイズの餅のブロックを抱えています。 (クレジット: グレン・アサカワ/CU Boulder)
ラボサンプルからウィンドウスケールパネルまで
MOCHI の最も有望な側面の 1 つはスケーラビリティです。研究者らは、透明性や絶縁性を犠牲にすることなく、平方メートルサイズのフィルムと厚さ数センチメートルのスラブを作製した。これらのスラブは、標準的な二重窓と同様の厚さの断熱ガラス ユニット (IGU) 内に配置できます。
このように使用すると、MOCHI を充填した窓は、十分に断熱された壁と同等かそれ以上の断熱レベルに達しました。単層ガラス窓の内側に薄い層を付着させるだけでも性能が大幅に向上し、複層ガラスの標準に近づきました。赤外線イメージングにより、従来の窓と比較して熱漏れが大幅に少ないことが明らかになりました。
MOCHIは毎日の快適にも役立ちます。熱放射を遮断することで結露を軽減し、音を軽減します。テストでは、MOCHI 窓は特定の周波数で騒音を最大 35 デシベルカットし、標準的な二重ガラスよりも優れた性能を発揮しました。
製造プロセスは、制御された自己組織化に依存しています。研究者らは、シリコーン前駆体と界面活性剤分子を混合し、溶液中で自然に小さな糸を形成します。これらの糸をシリコンでコーティングし、後のステップで界面活性剤を空気に置き換えます。その結果、空気が満たされた微細なチューブが密集した迷路ができあがります。スマリュク氏は、この構造を「配管工の悪夢」と例えていますが、断熱効果としては見事に機能しています。
左から右へ、エルド・エイブラハム、ゲーウェイ・チェン・チェン、エイブラム・フラッキガー、テウー・リー、ケイタ・リチャードソン、シヴァ・シン、シャクシ・バルドワジ、ハンチン・チャオ、イワン・スマリュク、アレックス・アダカ。 (クレジット: グレン・アサカワ/CU Boulder)
MOCHIの中の光と熱の仕組み
細孔は空気分子の移動経路よりも小さいため、熱伝達が大幅に遅くなります。気体分子は互いにではなく細孔壁に衝突し、エネルギー交換が制限されます。シリコーンのフレームワーク自体も熱の流れに耐えます。
厚いスラブでは、MOCHI が熱赤外線を吸収して再放出し、熱損失をさらに削減します。これらの効果を組み合わせることで、この素材はほとんど目に見えないまま、寒さと暑さの両方に対する効果的なバリアになります。
この材料は、ナノチューブの部分的な配列により穏やかな光学効果も示します。窓にとっては重要ではありませんが、これらの特性は将来の光学デバイスで役立つことが判明する可能性があります。 MOCHI は日常的に使用する場合、優れた色精度を維持するため、屋外の景色が自然に見えます。
太陽光を有用な熱に変える
MOCHI は断熱材を超えて、建物のエネルギー生成に役立つ可能性があります。この素材は、可視光と近赤外線の太陽光を通過させ、長波長の熱放射を閉じ込めます。ダークアブソーバーと組み合わせると、MOCHI は太陽光を取り込みますが、熱の多くを内部に保持します。
モチイグの高い透明度と演色性を示す光学写真。 (C) 52.5 × 65 cm、厚さ 35 mm、R ≈ 3.24 m2 KW−1、および (D) 35 × 50 cm、厚さ 37.5 mm、R ≈ 3.65 m2 KW−1 (24)、それぞれ外部温度と内部温度 –4°C および 16°C で測定。 (クレジット: 科学)
実験では、MOCHIで覆われた吸収体が通常の太陽光の下で摂氏300度近くの温度に達することが示されました。曇りの日でも、システムは使用可能な熱を収集し続けました。シミュレーションによると、住宅の外装の一部をそのようなパネルで覆うことで暖房の需要を満たすことができ、さらに大規模な設備を設置すると余剰エネルギーが発生する可能性がある。
「耐久性テストの結果、MOCHIベースの製品は従来のIGUと同様に少なくとも20年間は使用できることが示されました。室内窓の表面に付着したサンプルは、ほこり、酸性雨、化学物質への曝露などの実際の条件下でも、主要な特性を失うことなく約5年間生存しました。この材料は機械的に堅牢で、薄いフィルムに丸めたり、レーザーで複雑な形状に切断したりすることができ、超疎水性、難燃性、撥水性を維持します」とスマリュク氏はThe Brighter Side of Newsに語った。
研究の実際的な意味
MOCHI は建物のエネルギー管理方法を変える可能性があります。窓を高性能の断熱材に変えることで、建築家は効率を犠牲にすることなく、より多くのガラスを使用できるようになりました。家庭やオフィスでは冷暖房の需要が減り、光熱費と排出量が削減される可能性があります。この材料の耐久性は、現実世界の条件下では数十年持続する可能性があることを示唆しています。
MOCHI は建物以外にも、温室、防護服、太陽熱システムなどにも使用される可能性があります。透明性と断熱性の組み合わせにより、視認性と温度制御の両方が重要となる可能性が広がります。さらなる開発が進めば、同じ構造で空気清浄や適応型太陽光制御をサポートできる可能性があります。
「今のところ、MOCHIは研究室製品のままです。原料はまだ比較的安価であり、製造プロセスを改善するためにやるべきことがまだ残っています」とスマリュク氏はThe Brighter Side of Newsに語った。
そうなれば、窓はいつかエネルギーの漏れを止めて、エネルギーの生成を助けるようになるかもしれない。
研究結果は雑誌でオンラインで入手できます 科学。
関連記事
#新しい透明な窓材は建物のエネルギー損失を #削減できる可能性がある