Duża część materiałów smart jest w fazie doskonalenia, która pozwoli na ich szersze zastosowanie, w tym także w sektorze budowlanym.
Materiały typu smart charakteryzują się zdolnością do reagowania na zmiany w otoczeniu. Zmiana jest natychmiastowa i przewidywalna, a wywołuje ją określony impuls, np. termiczny, chemiczny, mechaniczny, elektryczny. Zmiany mogą mieć dwojaki charakter. Materiał pod wpływem impulsu może zmienić np. kolor, przepuszczalność dla światła, kształt, lepkość, przy czym zmiana zachodzi wewnątrz jego struktury. Może ona także polegać na konwersji energii wejściowej podanej jako impuls na inny rodzaj energii. Efekt ten, w przeciwieństwie do pierwszego, nie dotyczy struktury wewnętrznej materiału, ale ma charakter zewnętrzny.
Rodzaj impulsu i wywołany nim efekt są podstawą systematyki materiałów smart. Tradycyjna systematyka oparta na rodzaju substancji, z których powstaje materiał oraz jego przeznaczeniu, nie ma w ich przypadku zastosowania. Najważniejszą kwestią jest to, jak dany materiał „działa”. Dwuczłonowe nazwy łączą w sobie informacje na temat impulsu (pierwszy człon nazwy) i efektu, jaki wywołuje (drugi człon nazwy). I tak np. materiały termochromowe to takie, które na skutek różnicy temperatury zmieniają kolor (zmiana wewnątrz struktury materiału), materiały elektrolumines-centne emitują światło pod wpływem napięcia elektrycznego (przemiana energii), a piezoelektryczne wytwarzają prąd pod wpływem deformacji i na odwrót (odwracalna przemiana energii). Poniżej opisano najbardziej przydatne dla budownictwa grupy materiałów smart.
Rys. 1 Schemat działania szkła w technologii EC
Zmiana koloru
Stosunkowo dużą grupą materiałów, coraz bardziej widoczną w architekturze, są materiały zmieniające kolor lub stopień przezroczystości pod wpływem określonych czynników. Są to głównie wyroby szklane. Część z nich reaguje na zmiany w sposób samoczynny, np. pod wpływem światła (szkła fotochromowe) lub ciepła słonecznego (szkła termotropowe). Dużą wadą jest brak możliwości kontrolowania zmian. Najszersze zastosowanie mają szkła o kontrolowanej zmienności parametrów optycznych, sterowane energią elektryczną. Najczęściej wykorzystywanymi technologiami są:
– szyba elektrochromowa – szyba zmienia kolor na niebieski i ulega zaciemnieniu; składa się z dwóch warstw przezroczystych przewodników, elektrolitu, warstwy elektrochromowej (elektrody czynnej) oraz magazynu jonów (elektrody biernej); zmiana następuje wskutek przemieszczania się jonów między elektrodami pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego (rys. 1);
– szyba SPD (suspended particle devices) – szyba z przezroczystej staje się matowa lub nieprzezierna (szara lub czarna); między dwiema szybami znajduje się warstwa z zawiesiną swobodnie ułożonych cząstek, które ulegają uporządkowaniu po przyłożeniu napięcia (rys. 2);
– szyba ciekłokrystaliczna LCD (liquid crystal devices) – szyba z przezroczystej staje się matowa lub mleczna; między dwiema szybami znajduje się warstwa z ciekłymi kryształami, które po przyłożeniu napięcia z układu rozrzuconych losowo cząstek przechodzą w układ uporządkowany (rys. 3, fot.).
Rys. 2 Schemat działania szkła w technologii SPD
Emisja światła
Innym przejawem działania materiałów typu smart może być emisja światła. Po zadziałaniu impulsu cząstki przechodzą do wyższego stanu energetycznego, który trwa tak długo, jak działa impuls. Część energii uwalniana jest w formie widzialnego promieniowania świetlnego, któremu nie towarzyszy promieniowanie cieplne. Najbardziej przydatne dla architektury są materiały fotoluminescentne reagujące na światło i elektroluminescentne reagujące na napięcie elektryczne. Wykorzystywane są w postaci fosforyzujących lub fluoroscencyjnych powłok malarskich, tapet lub tkanin. Najbardziej znanym produktem z grupy materiałów elektroluminescentnych są diody LED. Wykorzystywane są do tworzenia medialnych elewacji, na powierzchni których można wyświetlać dowolne ruchome obrazy. Początkowo były to struktury siatkowe nakładane na powierzchnie elewacji. W najnowocześniejszych rozwiązaniach diody umieszczane są wewnątrz tafli szkła. Rozwijane są także nowe generacje diod bazujące na technologii półprzewodników polimerowych (OLED).
Rys. 3 Schemat działania szkła w technologii LCD
Przemiana energii
Istnieją materiały zdolne do wytwarzania energii elektrycznej wskutek zadziałania określonego czynnika, np. światła, temperatury, siły mechanicznej lub środowiska chemicznego. Najbardziej rozpowszechniony materiał z tej grupy to ogniwa fotowoltaiczne, pozyskujące prąd z energii słonecznej. Wykorzystują technologię półprzewodników, a ich działanie można opisać jako odwrotność działania diod LED. Pojedyncze komórki łączone są w moduły i dalej w szeregi. Ogniwa nowej generacji wytwarzane są jako bardzo cienkie filmy, które można spajać ze strukturą tafli szklanej. Najnowocześniejsze wyroby to półprzezroczyste szkła z ogniwami PV, także barwione w bardzo szerokiej palecie kolorów, oraz ogniwa nadające się do zastosowania na powierzchniach przeznaczonych dla pieszych. Wydajność najlepszych ogniw sięga około 20%. Te najbardziej efektowne architektonicznie rozwiązania, np. półprzezroczyste, osiągają niższą wydajność. Szacuje się, że możliwe jest podniesienie wydajności ogniw do 30–40%.
Trwają także badania nad materiałami reagującymi na inne impulsy energetyczne, np. energię mechaniczną,którą może dostarczać wiatr lub poruszający się ludzie. Są to materiały piezoelektryczne, które wskutek deformacji wytwarzają energię elektryczną. Istnieją koncepcje wykorzystywania ich w postaci swobodnych elementów mocowanych do elewacji, tak aby mógł je poruszać wiatr, lub w postaci płytek montowanych do chodników w miejscach o natężonym ruchu pieszych. Zyski energetyczne pochodzące z ich działania wciąż są jednak zbyt małe, by uzasadnić ich powszechne zastosowanie.
Szkło ze sterowaną przeziernością SGG PRIVA-LITE (fot. Saint-Gobain)
Zmiana stanu skupienia
Wielką szansą na przełom w zakresie materiałów termoizolacyjnych są materiały o zmiennej fazie skupienia (PCM). Absorbują ciepło i magazynują je bez wzrostu temperatury na powierzchni. Wzrost temperatury powoduje zmianę stanu skupienia, co zatrzymuje nadmiar ciepła. Jest ono uwalniane, gdy temperatura spadnie i materiał wraca do poprzedniego stanu skupienia. Proces jest odwracalny i można go wielokrotnie powtarzać. Materiał PCM zamknięty w mikrokapsułkach może być zespalany ze strukturą materiałów budowlanych, np. tynków, płyt wykończeniowych, lub można go umieszczać w przestrzeniach sufitów podwieszonych i podniesionych podłóg.
Zmiana kształtu
Kolejną grupę materiałów typu smart tworzą materiały reagujące na określony czynnik zmianą kształtu lub wymiarów. Po zaprzestaniu działania czynnika materiał wraca do formy wyjściowej. Nazywane są materiałami pamiętającymi kształt (shape memory). Funkcję czynnika wyzwalającego zmianę może pełnić światło, temperatura, ciśnienie, energia elektryczna, pole magnetyczne lub środowisko chemiczne. Do grupy tej należą między innymi materiały termorozszerzalne, termobimetale oraz stopy i polimery z pamięcią kształtu. W budownictwie występują jako elementy instalacji w postaci różnego rodzaju aktywatorów czy sensorów. Skłaniają jednak architektów do rozwijania koncepcji teoretycznych na temat możliwości tworzenia na ich bazie zmiennych w kształcie elementów budynku, np. fasad, ścian wewnętrznych czy podłóg. Wydaje się jednak, że przejście działania tego rodzaju materiałów ze skali drobnych elementów na skalę wielokrotnie większą stanowi na razie barierę nie do pokonania przez współczesną technologię.
Potencjał użytkowy materiałów o zmiennych właściwościach
Wymienione grupy materiałów to jedynie wybrane przykłady najbardziej zaawansowanych lub najbardziej obiecujących rozwiązań. W rzeczywistości jest ich znacznie więcej, np. polimery przewodzące, stwarzające możliwość wytwarzania ultracienkich i giętkich ekranów i wyświetlaczy (nadzieja na tworzenie multimedialnych ścian przez zespolenie ich z innymi powierzchniami), materiały zmieniające gęstość. Zwracają także uwagę materiały umożliwiające samooczyszczenie powierzchni, np. betonu, szkła, membran, oraz materiały samonaprawiające się, np. betony.
Duża część materiałów smart jest w fazie doskonalenia, która pozwoli na ich szersze zastosowanie, w tym także w sektorze budowlanym. Poważną przeszkodą są relatywnie wysokie koszty wytwarzania oraz wiele problemów użytkowych związanych np. z niedostateczną trwałością, zbyt długim czasem reakcji czy małą odpornością na różne czynniki zewnętrzne. Jednak potencjał ich przydatności w architekturze jest znaczny, a stopień zainteresowania nimi i skala prowadzonych badań pozwalają mieć nadzieję, że w przyszłości będą pełnić funkcje pełnowartościowych i powszechnie stosowanych materiałów budowlanych.
dr inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung
Wydział Architektury, Politechnika Warszawska
