Fenster auf Knopfdruck abdunkeln

Wenn im Sommer die Sonne scheint, ziehen viele die Vorhänge oder Jalousien vor Fenstern zu. So wollen sie verhindern, dass das einfallende Sonnenlicht blendet oder Räume sich zu schnell aufheizen. Schneller und eleganter ließe sich das durch schaltbare Fenster mit besonderen Beschichtungen erreichen, die sich auf Knopfdruck verdunkeln. Doch bisherige Beschichtungen dunkeln relativ langsam ab und sind nicht langlebig. Beide Probleme löste nun ein Forschungsteam mit einer neuen Beschichtung aus einer metallorganischen Verbindung, über die es in der Fachzeitschrift „ACS Energy Letters“ berichtet.

Als Materialien für solche Beschichtungen eignen sich sogenannte metallorganischen Gerüstverbindungen, kurz MOFs. Darin sind sowohl Metallatome als auch organische Moleküle enthalten, die gerüstartig aufgebaut sind. Legt man eine elektrische Spannung an diese Verbindungen an, können sie ihre Struktur und infolgedessen ihre optischen Eigenschaften, also etwa Helligkeit und Farbe verändern. Als solches Material wählte Xueying Fan vom Harbin Institute of Technology mit ihrer Arbeitsgruppe ein Material, in dem ein Nickelatom von mehreren organischen Molekülgruppen umgeben war: Ni-IRMOF-74. Dieses kristallartige und zugleich poröse Material kann bei einer angelegten elektrischen Spannung Ionen aufnehmen und die Gerüststruktur verändern.

Erst grün – dann dunkelrot

Verdunkelndes Glas

Um einen Prototyp für ein schaltbares Fenster zu bauen, brachten die Forschenden mehrere hauchdünne Schichten des Materials auf eine Glasscheibe auf. Über einer Schicht aus Ni-IRMOF-74 deponierten sie eine Lage aus Lithiumperchlorat. Als Elektroden nutzten sie transparente Schichten aus fluordotiertem Zinnoxid. Über diese legten Fan und ihr Team zunächst eine elektrische Spannung von 0,8 Volt an die zunächst durchsichtigen metallorganischen Schichten an, die sich daraufhin grün färbten und schon etwas Licht abschirmten. Bei einer höheren Spannung von 1,6 Volt wurde die Beschichtung dunkelrot und ließ nur noch wenig Licht durch. Grund dafür waren Lithiumionen, die bei einer geringen Spannung aus der dünnen Schicht aus Lithiumperchlorat in die metallorganische Struktur übergingen. Was die Tönung bei höherer Spannung verändert, wollen die Forschenden noch ergründen – womöglich werden aber mehr Lithiumionen in die metallorganische Schicht eingebaut und führen so zu etwas anderen Strukturen mit veränderten optischen Eigenschaften.

In den Tests mit dem schaltbaren Fenster zeigte das Team, dass der Farbwechsel sehr schnell erfolgte und sich innerhalb von jeweils zwei bis vier Sekunden vollständig wieder umkehren ließ. Zudem konnten die Forschenden die Fenster bis zu 4500 Mal abdunkeln und wieder vollständig durchsichtig werden lassen. Nun könnten durch weitere Forschung langzeitstabilere Prototypen folgen. Prinzipiell ließe sich auch die Farbe der Beschichtungen mit verschiedenen Materialien aus metallorganischen Gerüstverbindungen variieren. Selbst schaltbare Fenster, die gezielt nur ultraviolettes Licht oder Wärmestrahlung abschirmen und für sichtbares Licht transparent bleiben, sind vorstellbar.