El material que cambiará la construcción: las nuevas ventanas que bloquean la luz y el calor a demanda

Las ventanas son un elemento arquitectónico fundamental en el diseño de los edificios de España y todo el mundo. Su principal función es la de ventilar y proveer iluminación natural, pero también sirven para aislar el ruido y las condiciones climáticas, como la lluvia. Sin embargo, con el paso del tiempo han ido evolucionando y ahora son capaces de realizar más tareas, como aislar la casa para ahorrar en calefacción con madera transparente o unas rellenas con agua para bajar la factura de la luz un 25%. En este caso, unos investigadores han creado un revolucionario material que permite a las ventanas bloquear de forma selectiva la luz y el calor.

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Unos ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, (NCSU, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, han desarrollado un nuevo material que logra que las ventanas puedan alternar fácilmente entre tres modos diferentes: transparente, que es la función actual de estos elementos y que deja pasar la luz y el calor; un modo que bloquea el calor para mantener el edificio fresco, pero sigue siendo transparente para que entre la luz; y un modo tintado, que bloquea la luz pero no el calor. De este modo, gracias a esta nueva tecnología los usuarios tendrían cubiertas sus necesidades en cualquier estación del año.

Las ventanas dinámicas que cambian de opacidad en respuesta a un estímulo son realmente nuevas. Pero, hasta ahora, la gran mayoría eran transparentes u oscuras. "Nuestro trabajo refleja que hay más opciones disponibles. En concreto, hemos demostrado que se puede dejar pasar la luz a través de las ventanas sin dejar de ayudar a mantener los edificios más frescos y, por tanto, más eficientes energéticamente", señala Veronica Augustyn, coautora del artículo sobre la investigación publicado en la revista ACS Photonics y becaria en el departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

El agua, la clave

Para conseguir este importante avance tecnológico, los investigadores descubrieron que cuando el agua se une dentro de una estructura cristalina de un óxido de tungsteno o wolframio -que es un compuesto químico del oxígeno con el metal de transición tungsteno-, dicho material "muestra un comportamiento desconocido hasta ahora". Los óxidos de wolframio se utilizan desde hace tiempo en ventanas dinámicas, ya que normalmente es transparente y funcionan según el principio del electrocromismo.

Normalmente, cuando se aplica una señal eléctrica y se inyectan iones de litio y electrones en este material, se oscurece y bloquea la luz. Por lo que lo convierte en realmente útil para conseguir que las ventanas se tiñan a demanda. Pero los investigadores de la NCSU descubrieron un secreto: al añadirle agua, el óxido de wolframio se transforma en hidrato de óxido de tungsteno y, cuando se utiliza en ventanas electrocrómicas, le confiere un ajuste adicional. De esta manera, cuando está apagado, la ventana sigue siendo transparente a la luz y al calor, siendo ideal para los días de invierno en los que se necesitan ambas cosas.

Esquema del funcionamiento del material. ACS Omicrono

Por otro lado, los investigadores descubrieron que cuando se inyectan algunos electrones e iones de litio, el material pasa primero por una fase de "bloqueo térmico", que permite el paso de las longitudes de onda visibles de la luz, pero bloquea la luz infrarroja. Sin embargo, si se inyectan más iones de litio y electrones, el material pasa a una fase oscura que bloquea tanto la luz visible como la infrarroja (que se percibe como calor), siendo ideal este modo para los días de verano en los que las altas temperaturas aprietan.

"La presencia de agua en la estructura cristalina hace que sea menos densa, por lo que es más resistente a la deformación cuando se inyectan iones de litio y electrones en el material. Nuestra hipótesis es que, como el hidrato de óxido de tungsteno puede alojar más iones de litio que el óxido de wolframio normal antes de deformarse, se obtienen dos modos. Hay un modo 'frío' -cuando la inyección de iones de litio y electrones afecta a las propiedades ópticas, pero aún no se ha producido el cambio estructural- que absorbe la luz infrarroja. Y luego, después de que se produzca el cambio estructural, hay un modo 'oscuro' que bloquea tanto la luz visible como la infrarroja", explica Jenelle Fortunato, de la NCSU y primera autora del artículo.

Una instalación simple

En la actualidad se están desarrollando una gran variedad de ventanas dinámicas, pero embargo, no es frecuente encontrar tantos modos de uso en un mismo sistema y, cuando se da con unos de ellos, éstos suelen requerir montajes más voluminosos y complejos. Sin embargo, y dado que solamente se necesita un material, con este invento el grosor del cristal y los requisitos energéticos deberían ser similares a los que tenían las viejas ventanas de óxido de tungsteno.

"El descubrimiento del control de la luz de doble banda (infrarroja y visible) en un solo material ya conocido por la comunidad de las ventanas inteligentes puede acelerar el desarrollo de productos comerciales con características mejoradas", afirma en un comunicado oficial Delia Milliron, coautora del estudio.

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