Ventanas inteligentes basadas en polímeros, parafinas y nanotecnología

La construcción y el mantenimiento de edificios implica cerca de una tercera parte del consumo total de energía y alrededor de un 20% de las emisiones de CO₂ en todo el mundo. La energía empleada en la climatización y ventilación de esos edificios es, en parte, responsable de esas cifras. Una de las estrategias que se emplean para reducir estos valores es el uso de ventanas inteligentes o reactivas, capaces de adaptar la transmisión de luz y calor en función de las condiciones ambientales. El objetivo es controlar el flujo de energía entre exterior e interior, disminuir entre un 10 y un 25% la pérdida energética que se produce a través de las ventanas y reducir, sobre todo, el consumo de aire acondicionado.

A través de un trabajo conjunto entre el Departamento de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), a través del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2)^[1], se ha desarrollado una tecnología patentada basada en recubrimientos poliméricos que contienen nanopartículas de ceras orgánicas, para conseguir un nuevo tipo de ventana inteligente de bajo coste y fácil fabricación. Con esta tecnología se consigue que a bajas temperaturas o en días con poca irradiación solar la ventana sea transparente, mientras que a temperaturas altas o en días soleados se vuelva opaca.

Además, el propio usuario puede hacer que la ventana se vuelva opaca o transparente a su voluntad (para evitar deslumbramiento y/o conseguir privacidad), mediante la aplicación o no de un voltaje externo.

El Departamento de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), en colaboración con  el Institut Català de Nanociència y Nanotecnología (ICN2) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han desarrollado una tecnología que permite que el vidrio de una ventana pueda volverse opaco en función de la temperatura y la radiación solar.

En el mercado existen ya propuestas que responden a estas exigencias, pudiéndose clasificar en sistemas estáticos y dinámicos. Los primeros, y más económicos, son recubrimientos sobre el vidrio que reducen la entrada de luz solar, tanto infrarroja como visible. Su principal inconveniente es que su funcionamiento en verano es eficiente, pero en invierno se comportan de igual manera, con lo que se pierde el aporte de luz y calor solar. Entre los sistemas dinámicos, se pueden distinguir dos grandes tipologías. Una de ellas incluye vidrios que contienen elementos que, mediante la aplicación de una corriente eléctrica o de temperatura, hacen que el vidrio pase de la transparencia a adquirir ciertas tonalidades; su coste económico suele ser elevado y, al estar basados en moléculas o pigmentos, su vida suele ser limitada. El otro tipo de sistemas, se basan en cristales líquidos o en dispersiones de partículas que modifican su estructura interna al aplicar una corriente eléctrica. Ello hace que pasen de un estado transparente, en el que la luz los atraviesa sin dispersarse, a otro opaco en que la luz se dispersa y penetra en menor medida. Su coste es bastante elevado, alrededor de 500 euros por metro cuadrado, y pueden tener arquitecturas bastantes complejas.

La tecnología que nos ocupa en este artículo se incluiría dentro de los sistemas dinámicos, pero con la ventaja de basarse “en un sistema no cromogénico, no contiene ningún pigmento ni molécula encargados de absorber la luz, con lo que se evitan posibles problemas de estabilidad asociados”, explica Jordi Hernando, profesor agregado del Departamento de Química de la UAB, y director, junto a Claudio Roscini, investigador sénior en el ICN2, de la tesis de doctorado de Jaume Ramon Otaegui, investigador pre-doctoral en UAB-ICN2 en el periodo en el que se desarrolló el trabajo, en la que se ha fundamentado el desarrollo de esta tecnología. En la actualidad, Jaume es investigador post-doctoral en la Washington University en St. Louis, Estados Unidos.

“Nuestro sistema es relativamente sencillo. Funciona con un polímero polivinílico hidrófilo flexible, de un grosor de entre 200 y 300 micras, bastante corriente y económico, en cuyo interior se introducen partículas de un centenar de nanómetros de unas ceras, parafinas similares a las empleadas para hacer velas, que cambian de estado sólido a líquido en función de su temperatura de fusión”, explica Jordi Hernando.

Estas partículas funden a temperaturas de 15 a 60 ^oC. Con una elección adecuada de la composición e índices de refracción de estos elementos, los materiales resultantes presentan una elevada transparencia a la radiación solar a bajas temperaturas, cuando las nanopartículas de ceras están en estado sólido; en cambio, cuando se calientan y se funden, los recubrimientos poliméricos se vuelven opacos y presentan una baja transmitancia a la radiación del sol.

a) Flexibilidad de los films de polialcoholes y parafinas.. b) Fotografía de uno de los films de 42 cm de diámetro adherido a una ventana de vidrio. c) Fotografía de un sustrato de vidrio de 12x12 cm² recubierto con un film. La región superior derecha del material se calentó selectivamente para mostrar el contraste entre sus estados transparente y opaco. d)  Fotogragías de una película laminada a temperatura ambiente (izquierda) y tras calentarse por encima de 37^oC. Figura reproducida del artículo publicado por los autores de la tecnología en Chem. Eng. J., 463, 2023, 142390.

El sistema no solo actúa por efecto térmico, sino que la tecnología desarrollada también admite reaccionar ante otros estímulos. “Hemos introducido unas partículas metálicas que cuando absorben la luz infrarroja invisible del sol se calientan y también funden la cera para volver opaco el vidrio, con lo que además de funcionar por temperatura, el sistema también lo hace por irradiación solar”, explica Jaume Ramon Otaegui. Finalmente, los recubrimientos también pueden admitir un electrodo con una resistencia que cuando se calienta lo suficiente se consigue la opacidad. En consecuencia, “el sistema puede funcionar de manera orgánica, por temperatura o irradiación solar o externamente mediante una fuente de alimentación y un electrodo transparente, una manera mucho más sencilla que la mayoría de sistemas electrocrómicos o basados en cristales líquidos existentes”, corrobora Claudio Roscini.

El sistema no se fundamenta en la absorción de luz, ya que esta se dispersa, por lo que no existen problemas de fotoestabilidad. La temperatura a la que se active el sistema dependerá de la cera que se introduzca en el interior del polímero: “podemos conseguir que la respuesta se dé a 15, 37 o 45 grados, basta con cambiar la cera. También es posible que al pasar, por ejemplo, de 20 a 40 grados el sistema se active de manera gradual o que el cambio de transparente a opaco sea repentino”, afirma el investigador del ICN2.

Una de las grandes ventajas de este sistema es que sus componentes, un polialcohol y una parafina, son muy económicos. A pesar de que la compra de estos materiales puede resultar cara al hacerlo en pequeñas cantidades, “hemos hecho unos cálculos, según el precio al que nosotros los solemos adquirir, y para una aplicación de una ventana de 50 x 50 cm, su coste sería de entre 15 y 20 euros por metro cuadrado. En principio, creemos que podríamos escalar el proceso sin demasiados problemas. La preparación es muy sencilla y los materiales muy flexibles e incluso se pueden laminar para una mejor protección. Si estas láminas fueran adhesivas sería posible su aplicación sobre ventanas ya instaladas, por lo que el proceso de instalación sobre las ventanas no sería necesario”, explica Jordi Hernando.

Las ventajas económicas también se expresan en términos de eficiencia y ahorro energéticos. Tras analizar los resultados de algunos experimentos realizados en el laboratorio se ha observado que el sistema obtiene su mejor rendimiento cuando se combina la respuesta térmica y la fotoinducida. En estos casos, a temperaturas inferiores a 20 grados, las láminas no se vuelven opacas, aunque limitan mínimamente el paso de la luz porque el material absorbe algo de luz solar. Sin embargo, a temperaturas entre 20 y 30 grados se consigue la opacidad y la reducción, en unos cinco o seis grados, del aumento de temperatura interior provocado por la radiación solar sin necesidad de emplear ningún tipo de climatización artificial, con el consecuente ahorro económico.

Este proyecto ha surgido a raíz de otro en el que trabajaba Jaume Ramon Otaegui en su tesis doctoral, que utilizaba los mismos materiales combinándolos con fluoróforos para desarrollar una tecnología que permitía hacer cambios de color y de fluorescencia. De hecho, ésta se ha patentado para crear tintas dinámicas de antifalsificación.

“Observamos que las propias partículas, por sí solas, podrían emplearse en otras aplicaciones y al prescindir del fluoróforo aumentaríamos la fotoestabilidad del material. Teniendo en cuenta las tecnologías existentes hasta ese momento en vidrios inteligentes que cambiaban de transparentes a opacos, reduciríamos el coste y sería más sencillo llegar a una aplicación en vidrio para ventanas”, afirma Jaume Ramon Otaegui. “Una vez tuvimos un sistema optimizado que respondía a una temperatura, intentamos encontrar la manera de controlar el proceso de cambio, ya fuera de manera fotoinducida o aplicando un voltaje eléctrico que provocara el cambio de la lámina”.

En todo este proceso el tamaño de las partículas tenía un papel determinante y la aplicación de la nanotecnología era la única vía para conseguir los resultados perseguidos. Claudio Roscini, pertenece a un grupo del ICN2, el Nanostructured Functional Materials, dirigido por Daniel Ruiz Molina, investigador del CSIC. Este grupo y el Departamento de Química de la UAB llevan colaborando desde 2006 y han dirigido varias tesis en común, como es el caso de la de Jaume Ramon Otaegui. “Aprovechamos las sinergias entre su ‘expertise’ en la preparación de materiales de tamaño nano y nuestro conocimiento de propiedades ópticas para intentar derivar materiales para diversas aplicaciones. En este caso concreto, Jaume preparaba los films con las nanopartículas en las instalaciones del ICN2 y después los caracterizaba en la UAB”, explica Jordi Hernando.

En estas colaboraciones ya habían surgido otras iniciativas para desarrollar vidrios inteligentes para ventanas. “En otro Spin-off que desarrollamos en el grupo hace un tiempo, trabajamos con materiales fotocrómicos para vidrios que se pueden utilizar para ventanas. Esta tecnología, que también fue patentada entre UAB, ICN2 y CSIC, es similar pero diferente a la descrita. Simula el mecanismo de oscurecimiento de las lentes cuando reciben la luz del sol y mejora las prestaciones actuales de vidrios similares”, indica Claudio Roscini.

De izquierda a derecha: Jaume Ramon Otaegui, investigador  pre-doctoral de la UAB en el momento en que se desarrolló la tecnología; Jordi Hernando, profesor agregado del Departamento de Química de la UAB; Claudio Roscini, Investigador Sénior en el ICN2, y Lorenzo Vallan, investigador post-doctoral en el ICN2.

Por el momento, este nuevo desarrollo se encuentra en un proceso de valorización para intentar llevarlo al mercado. Todavía se está en fase de perfeccionamiento, porque la estabilidad de las láminas, al basarse en un polímero hidrófilo, se ve comprometida, con lo que su aplicación en el exterior de las ventanas no es viable. Sin embargo, el material puede laminarse e introducirse entre láminas de vidrio o de policarbonatos, como si se tratara de una capa, sin que su funcionamiento se vea alterado, quedando protegido del agua. De todas maneras, dentro de este proceso de valorización se está trabajando en la posible sustitución del polímero por otro que no fuera sensible al agua, evitando así el paso de la laminación. “La mayor potencialidad del sistema sería conseguir una lámina adhesiva que se pueda sobreponer sobre cualquier vidrio ya instalado y cambiarla sin problema cuando finalizara su vida útil, con un coste muy económico”, afirma Jordi Hernando.

El sistema ya se ha presentado en alguna feria y se han mantenido algunos contactos, sobre todo con arquitectos. “La innovación fue bien recibida. A través del proyecto de spin-off del que hablábamos anteriormente, conectamos con algunas empresas del sector de la ventana. Aunque los contactos hasta ahora hayan sido escasos, el buen recibimiento que ha recibido la tecnología nos hace ser optimistas cada al futuro”, concluye Claudio Roscini.

^[1] Esta tecnología ha sido desarrollada con el apoyo del  MICIU/AEI/ 10.13039/501100011033 y ERDF–“A way of making Europe” (proyectos PID2019-106171RB-I00, PID2021-127983OB-C21 y PDC2022-133368-I00) y de la AGAUR/Generalitat de Cataluña (proyecto 2021 PROD 00190).