猛暑の夏、強い日差しが窓ガラスを通じて室内に入ることは、室温を上げる主な原因の一つです。近年、日差しを反射して室温を下げる特殊ガラスに関する研究が進められていますが、現在市場に出ている製品はまだ完璧とはいえません。

しかし最近、アメリカの大学で行われた研究が、光を通す度合いを保ちながら、日差しの熱を最大限に反射する方法を見つけ出しました。

一般的に使われている光フィルターや遮光フィルムは、PML（光スペクトルフィルター）の原理を利用しています。これは、光学薄膜を重ね合わせて作られ、日光の紫外線や近赤外線（NIR）、特定の波長の光のみを反射したり、フィルムを通過させることができます。

また、窓ガラスに塗られるコーティングは、多くが直角で入る日光を想定していますが、一番暑い正午時の日光は直角で入ることは少ないため、これらのコーティングの反射効果は低下し、光のフィルタリング効果も落ちます。

さらに多くは、太陽光を反射させるためにガラスにコーティングを施しますが、これらのコーティングは色がついていることが多く、ガラスの透明度を損ないます。そのため、厳しい夏の日差しに対抗するため、透明度を維持しつつ、さまざまな角度からの日光を反射し、熱を和らげるコーティングが求められています。

最近、アメリカのノートルダム大学エネルギー研究所の研究チームが、窓ガラスにシリコン系ポリマー（PDMS）のコーティングを施し、透明性を損なうことなく太陽の熱放射を反射させることで、室内の温度を下げる効果を実現しました。この成果は3月4日付の「セル・リポート・フィジカル・サイエンス」誌に掲載されました。

研究チームは、二酸化ケイ素の基盤上に、異なる屈折率を持つ4種類の誘電体材料を用いて、透明な窓用コーティングを設計しました。誘電体材料は、二酸化ケイ素（SiO2）、二酸化チタン（TiO2）、窒化ケイ素（Si3N4）、酸化アルミニウム（Al2O3）です。異なる積層構造のポリエチレンは、それぞれ異なる光学的な反応と反射効果を示します。

研究員らが開発したポリエチレンは、厚さ100ナノメートル（nm）酸化チタンの極薄層を積層することでコーティングを作製しました。この厚さがPMLの性能を最適化できます。そして、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタンという順番で、コンピュータのバイナリコードのようにこれらの材料を積層していきます。

最終的に、研究チームは20層の材料を使用して光子管理層（PML）を作り上げ、コンピュータを利用して最適なPMLの配置を設計し、太陽光をより広範囲に反射させる効果を実現しました。研究結果によると、このPMLは広い入射角においても、優れた光の選択性と冷却効果を持ち、通常の窓ガラスと比べて室内温度を5.4℃下げることができました。

実験では、窓を水平にして空に向けることで、車のサンルーフを再現するテストも行われました。その結果、PMLはこの条件下でも卓越した冷却性能を発揮し、温度を最大7.2℃まで下げることが可能です。

また、彼らはシミュレーションソフトを用いて、アメリカの各都市でこの特殊なガラスを使用した場合の冷却エネルギーの節約量を計算しました。その結果、最大で97.5 MJ/m2のエネルギーを節約でき、従来の窓ガラスによる冷却エネルギー消費量と比較して、最大50.5%の節約が可能であることがわかりました。

この研究を率いたノートルダム大学エネルギー研究所のドリーニ家族教授、ローテンフェイ・ルオ（Tengfei Luo）氏は、大学の報道機関に対し、「太陽の位置に関わらず、私たちのコーティングは常に安定した機能と効率を保つことができる」と述べました。

ルオ教授はさらに、「私たちが開発したガラスは、偏光サングラスのように表面のコーティングで入射光を減らすことができます。しかし、サングラスとは異なり、私たちのコーティングはどの角度から見ても効果的で、非常に透明性が高い」と話しました。