Исследовательская группа Университета Райса совместно с международными партнерами разработала новое покрытие для стекла, способное существенно снизить потери тепла через окна в холодное время года, способствуя экономии электроэнергии.
Покрытие представляет собой прозрачную пленку, состоящую из нитрида бора с добавлением углерода. Полученный материал образует тонкий, устойчивый к внешним воздействиям слой, эффективно отражающий тепло и обладающий высокой стойкостью к царапинам, влаге, ультрафиолетовому излучению и резким колебаниям температуры.
Исследователи провели моделирование теплоизоляционных характеристик стекол с данным покрытием для типовых зданий в городах с холодным климатом, таких как Нью-Йорк, Пекин и Калгари. Результаты показали, что новое покрытие превосходит существующие аналоги примерно на 2,9% по показателям энергосбережения. Учитывая ежегодные масштабы установки окон только в США (более 370 млн м2), получаемая экономия энергии может стать весьма существенной.
Основное преимущество разработанного покрытия состоит в его долговечности, позволяющей наносить пленку на наружную поверхность стекла. Это выгодно отличает материал от традиционных покрытий с низкой эмиссионной способностью (low-E), которые из-за низкой устойчивости к влаге и температурным перепадам обычно размещаются на внутренней стороне окон.
По словам профессора Университета Райса Пуликела Аджаяна, чистый нитрид бора демонстрирует близкую к стеклу эмиссионную способность, однако даже небольшое добавление углерода резко снижает этот показатель, существенно повышая теплоизоляционные свойства покрытия.
Для нанесения покрытия исследователи использовали метод импульсного лазерного осаждения, при котором высокоэнергетические лазерные импульсы направляются на твердую мишень из нитрида бора, вызывая образование плазмы. Образовавшиеся пары оседают на поверхности стекла в виде тонкой пленки. Процесс проходит при комнатной температуре, что значительно проще и дешевле традиционных высокотемпературных методов получения подобных покрытий.
Авторы исследования отмечают, что данная технология нанесения нитрида бора также может быть адаптирована для нанесения на другие материалы — полимеры, текстильные изделия и даже биологические поверхности. Кроме того, возможна масштабируемость производства покрытия благодаря таким методам, как химическое осаждение из газовой фазы или магнетронное распыление.
Несмотря на сравнительно низкую стоимость исходного нитрида бора в сравнении с серебром или оксидом индия-олова, используемыми в коммерческих покрытиях low-E, прямое сравнение затрат пока затруднено из-за различий в методах производства и долговечности материалов. Тем не менее авторы исследования видят высокий потенциал долговечной и эффективной защиты стекол в суровых климатических условиях, где другие материалы быстро теряют свои характеристики.
Ключевым преимуществом покрытия, по словам исследователей, является его устойчивость к атмосферным воздействиям, что позволяет использовать его непосредственно на внешней поверхности оконного стекла, обеспечивая при этом значительное снижение теплопотерь по сравнению с покрытиями, применяемыми изнутри зданий.
Статья опубликована в журнале Advanced Materials (2025), DOI: 10.1002/adma.202507557.