Современные технологии «умного стекла» становятся всё более популярными благодаря своим уникальным возможностям по управлению светопропусканием. Научная команда из Красноярского научного центра СО РАН совместно с Университетом Тель-Авив под руководством Михаила Крахалева и Кристины Фейзер представила инновационный способ улучшения ключевых характеристик таких стекол на основе жидких кристаллов. Их открытия открывают совершенно новые горизонты для практического применения и массового внедрения этой высокотехнологичной разработки.
Устройство и принцип работы полимерных жидкокристаллических пленок
Основой «умного стекла» служат полимерные пленки, внутри которых равномерно распределены микроскопические капли жидких кристаллов. В своём обычном состоянии эти плёнки рассеивают свет, за счёт чего выглядят матовыми. Однако под действием электрического сигнала их прозрачность радикально меняется – стекло буквально становится «невидимым». Такое свойство широко используется для создания интеллектуальных окон, дисплеев и многих других оптоэлектронных устройств.
Высокий контраст, отличная светопропускающая способность – всё это характерные черты современных жидкокристаллических систем. Но до недавнего времени одной из важных преград к их широкому внедрению оставалась необходимость подавать высокое рабочее напряжение, сопоставимое с мощностью зарядных устройств для мобильных телефонов. Такое требование усложняло эксплуатацию и снижало энергоэффективность.
Прорыв в понимании и управлении внутренней структурой
Уникальность достижения учёных заключается в детальном исследовании поведения самих микрокапель жидких кристаллов при действии поля. Им удалось показать, что главный секрет оптимизации характеристик кроется в особом типе внутренней структурной организации этих капель. Внутри каждой микрооболочки жидкого кристалла формируется устойчивая «скрученная» ориентация молекул, которая способна существовать сразу в двух состояниях.
После подачи даже небольшого напряжения эти структуры гибко перестраиваются, свет практически моментально перестаёт рассеиваться, что делает плёнку полностью прозрачной. Самое главное — теперь стало ясно, что настройка одного физического параметра позволяет управлять важнейшими свойствами всей жидкокристаллической системы. Это означает возможность отказа от сложных и дорогостоящих добавок и облегчает процесс производства.
Преимущества инновационного подхода
Результаты работы Михаила Крахалева и Кристины Фейзер позволяют существенно снизить напряжение, необходимое для переключения «умного стекла». Такое значительное снижение энергозатрат делает технологию гораздо более доступной для масштабного производства и установки. Кроме того, удаётся добиться быстрого отклика при переключении между матовым и прозрачным состояниями, а также повысить общий оптический контраст. Это означает, что новые решения на основе подобных жидких кристаллов могут значительно улучшить энергоэффективность и устойчивость «умных» оконных систем, панелей для энергетики, проекционных и медицинских дисплеев.
Эта инновация даёт шанс ускорить переход к «зелёным» технологиям, сокращая издержки и повышая срок службы изделий. Такие стекла не только обеспечивают комфорт и приватность для пользователей, но и способствуют энергосбережению в зданиях, что современный мир ценит как никогда.
Развитие и перспективы роста технологий умного стекла
Работа, проведённая ведущими исследователями Красноярского научного центра СО РАН и Университета Тель-Авив, открывает новые пути для дальнейших исследований в области жидкокристаллических материалов. По мнению самой Кристины Фейзер, потенциал улучшений практически не ограничен — технологии умного стекла уже сегодня готовы к активному внедрению в архитектуре, транспорте, производстве бытовой техники и IoT-устройствах.
В перспективе эти решения могут найти широкое применение в общественных и административных зданиях, где управление приватностью и светопроницаемостью становится всё более важным. По мнению Михаила Крахалева, новое поколение «умных стекол» будет значительно надёжнее, долговечнее и безопаснее по сравнению с прежними образцами.
Таким образом, научные прорывы, достигнутые в сотрудничестве двух авторитетных лабораторий, не только расширяют наши знания о природе жидких кристаллов и их возможностей, но и приближают момент, когда интеллектуальные стеклянные поверхности станут обыденной частью современной жизни. Благодаря новым принципам управления внутренней структурой материалы станут ещё более оптимизированными для различных сфер — от инновационных окон в жилых и коммерческих зданиях до высокотехнологичных дисплеев и оптико-электронных систем будущего.
Ученые смогли добиться удивительных возможностей настройки оптических свойств современных материалов благодаря изменению их внутренней структуры. В частности, внимание исследователей было сосредоточено на микроскопических каплях жидкого кристалла. При варьировании уровня «скрученности» и задание специальных граничных условий на поверхности капель появилась возможность комплексного управления светопропусканием и реакцией материала при смене состояний. Это открывает новые горизонты для создания материалов с уникальными оптическими характеристиками и увеличенной скоростью переключения между режимами.
Инновационные оптические решения
Результаты работы показывают: внутри микрокапель жидкого кристалла образуется осесимметричная скрученная структура. Угол спирального закручивания изменяется в зависимости от степени внутренней «спиральности» самого материала. Такой подход позволяет заметно влиять на то, как свет проходит через пленку, а также определять чувствительность структуры к внешним воздействиям. По словам Михаила Крахалева, кандидата физико-математических наук и старшего научного сотрудника Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН, увеличение закрутки приводит к снижению светопропускания. Это сокращает время выключения устройства и существенно увеличивает контрастность изображения. В результате состояние «выключено» становится особенно непрозрачным и матовым, что выгодно для многих современных технологий.
Развитие «умных стекол» и новые перспективы
Эксперты уверены, что выявленная взаимосвязь между степенью скрученности структуры жидких кристаллов и их финальными свойствами существенно расширяет возможности для инженерной мысли. Теперь возможно точное проектирование и индивидуальная настройка параметров умных стекол, произведённых на основе полимерно-диспергированных жидких кристаллов. Это открытие актуально не только для создания инновационных окон, способных изменять прозрачность по запросу пользователя, но и для разработки эффективных дисплеев и других электронных устройств нового поколения. Гибкость в выборе структурных параметров помогает максимально адаптировать материал под конкретные задачи, отвечая самым современным стандартам качества и функциональности.
Таким образом, новейшие научные достижения демонстрируют перспективу целого класса высокотехнологичных продуктов, способных существенно улучшить качество жизни и преобразовать интерьер офисов и домов. Продвинутые методы настройки материалов выводят индустрию «умных» решений на качественно новый уровень, а значит, будущее таких технологий выглядит невероятно многообещающим и перспективным.
Новое исследование ученых открывает уникальные возможности для управления светом в сложных материалах. До сих пор, чтобы повысить электрооптические свойства полимерных пленок с диспергированными жидкими кристаллами, требовались сложные процессы: изменение состава, подбор условий производства, введение различных добавок, наночастиц, квантовых точек или специальных красителей. Теперь ситуация меняется кардинально: исследователи показали, что для получения нужных характеристик достаточно регулировать всего лишь один физический параметр — концентрацию закручивающей добавки в жидком кристалле. Это не только значительно упрощает технологию изготовления таких пленок, но и дает разработчикам гибкий инструмент для настройки свойств материала.
Прорыв в управлении свойствами пленок
Значение концентрации закручивающей добавки позволяет менять важные параметры будущей пленки: по желанию делать ее более или менее контрастной, корректировать энергопотребление или ускорять отклик системы. Эта инновация открывает дорогу к новым поколениям интеллектуальных материалов, которые найдут свое применение в различных сферах. Современные умные окна, голографические и проекционные дисплеи, микролинзы, лазеры — это лишь часть списка устройств, которые можно сделать еще более совершенными и энергоэффективными благодаря новым подходам к разработке пленок.
Важно отметить, что результаты работы ученых дают возможность не только повысить качество уже существующих материалов, но и значительно расширить область их применения. Полученные данные позволяют надеяться на появление технологий, где свойства пленки можно будет точно настраивать как во время создания, так и в процессе эксплуатации. Например, в ближайшем будущем, основываясь на этих исследованиях, станут возможными пленки, которые изменяют свои характеристики под воздействием света или температуры — это открывает удивительные перспективы для умной архитектуры, научных приборов и фотоники.
Развитие и возможности для будущих технологий
Понимание особенностей взаимодействия света с подобными материалами несет колоссальный потенциал для развития электроники и смарт-систем. Современные требования к устройствам — это стабильность, высокая эффективность, минимальное энергопотребление и возможность персонализации параметров. Благодаря точному контролю над концентрацией добавок появляется возможность реализовывать все эти требования на практике. Интеллектуальные окна смогут автоматически регулировать прозрачность в зависимости от освещения и времени суток, дисплеи станут ярче и четче, а расход энергии для переключения состояний пленки будет существенно снижен. Также подобные пленки могут стать основой для создания новых оптических элементов, необходимых для развития фотонных систем, телекоммуникаций и наукоемких производств.
Современные материалы, управляемые светом или температурой, уже не фантастика, а реальная перспектива. Исследования в этой области позволяют реализовывать устройства, которые мгновенно адаптируются к внешним условиям, самостоятельно регулируя светопропускание и другие параметры. Благодаря этому открываются не только новые технические решения для индустрии, но и возможности для создания энергоэффективной, комфортной и эстетически привлекательной среды в офисах и жилых помещениях. Такие материалы станут фундаментом для развития электронных устройств будущего — эргономичных, безопасных и экономичных.
Потенциал для применения во многих сферах
Развитие интеллектуальных материалов — одна из стратегических задач современной науки и промышленности. Открытие в области регулировки электрооптических свойств пленок без сложных модификаций дает новый импульс отрасли. Ученые убеждены, что полученные результаты найдут широкое применение не только в электронике и строительстве, но и в области биомедицины, в новых системах визуализации, оптической обработки информации и даже в искусстве световых инсталляций. Подобные технологии способны произвести настоящую революцию на рынке смарт-устройств и повысить качество жизни миллионов людей благодаря энергоэффективности и многофункциональности новых материалов.
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
