W upalny letni dzień białe ubrania wydają się chłodniejsze niż inne kolory, ponieważ odbijają – a nie pochłaniają – światło słoneczne. Inne kolory, takie jak niebieski lub czarny, ulegają efektowi ogrzewania, ponieważ pochłaniają światło. Aby obejść ten efekt ogrzewania w kolorowych filmach chłodzących, naukowcy czerpali inspirację z nanostruktur w skrzydłach motyli.
Nowe folie, które nie pochłaniają światła, mogą być stosowane na zewnątrz budynków, pojazdów i sprzętu w celu zmniejszenia energii potrzebnej do chłodzenia przy jednoczesnym zachowaniu żywych właściwości kolorystycznych.
„W budynkach duże ilości energii są wykorzystywane do chłodzenia i wentylacji, a uruchomienie klimatyzatora w samochodach elektrycznych może zmniejszyć zasięg jazdy o ponad połowę” – powiedział lider zespołu badawczego Wanlin Wang z Uniwersytetu w Shenzhen w Chinach. „Nasze folie chłodzące mogą pomóc w osiągnięciu zrównoważonego rozwoju energetycznego i neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla”.
W Optica, czasopiśmie Optica Publishing Group zajmującym się badaniami o dużym wpływie, naukowcy wykazali, że opracowane przez nich folie obniżają temperaturę kolorowych obiektów do około 2°C poniżej temperatury otoczenia. Odkryli również, że pozostawiona na zewnątrz przez cały dzień niebieska wersja folii była o około 26°C chłodniejsza niż tradycyjny niebieski lakier samochodowy. Oznacza to roczne oszczędności energii w wysokości około 1377 MJ/m2 rocznie.
„Dzięki naszym nowym filmom można osiągnąć doskonałą wydajność chłodzenia, niezależnie od pożądanego koloru, nasycenia lub jasności” — powiedział Wang. „Mogą być nawet używane na tekstyliach do tworzenia ubrań w dowolnym kolorze, które są wygodne w wysokich temperaturach”.
Inspirowane naturą
Samochód z niebieską farbą wydaje się niebieski, ponieważ pochłania światło żółte i odbija światło niebieskie. Duża ilość pochłanianego światła nagrzewa samochód. Jednak motyle Morpho wytwarzają swój wysoce nasycony niebieski kolor w oparciu o nanostrukturę ich skrzydeł. Konstrukcja chłodzącej nanofilmu naśladuje te struktury, tworząc żywe kolory, które nie pochłaniają światła jak tradycyjna farba.
Aby stworzyć nanofilmy inspirowane Morpho, naukowcy umieścili nieuporządkowany materiał (szorstkie matowe szkło) pod wielowarstwowym materiałem wykonanym z dwutlenku tytanu i dwutlenku glinu. Następnie umieścili tę strukturę na srebrnej warstwie, która odbija całe światło, zapobiegając w ten sposób absorpcji promieniowania słonecznego i nagrzewaniu się związanemu z tą absorpcją.
Kolor filmu zależy od tego, jak elementy w jego wielowarstwowej strukturze odbijają światło. Na przykład, aby stworzyć niebieski, wielowarstwowy materiał jest zaprojektowany tak, aby odbijał żółte światło pod bardzo wąskim zakresem kątów, podczas gdy nieuporządkowana struktura rozprasza niebieskie światło na dużym obszarze.
Chociaż ten typ pasywnego fotonicznego zarządzania ciepłem był już stosowany, był używany tylko z białymi lub przezroczystymi obiektami, ponieważ trudno jest utrzymać szeroki kąt widzenia i wysokie nasycenie kolorów.
Chłodzenie pasywne obiektów kolorowych
„Dzięki opracowanej przez nas warstwowej strukturze byliśmy w stanie rozszerzyć metodę pasywnego chłodzenia z obiektów bezbarwnych na kolorowe, zachowując przy tym wydajność kolorów” – powiedział Wang. „Innymi słowy, nasz niebieski film wygląda na niebieski w szerokim zakresie kątów widzenia i nie nagrzewa się, ponieważ odbija całe światło. Ponadto, optymalizując strukturę, można osiągnąć wysokie nasycenie i jasność”.
Aby przetestować nową technologię, naukowcy stworzyli niebieskie, żółte i bezbarwne filmy, które umieścili na zewnątrz Uniwersytetu w Shenzhen, na powierzchniach takich jak dachy, samochody, tkaniny i telefony komórkowe, od 9:00 do 16:00 zarówno zimą, jak i latem. Używając czujników termopary i kamer na podczerwień do pomiaru temperatury, odkryli, że warstwy chłodzące miały więcej niż około 15 ? chłodniej niż powierzchnie, na których były ustawione zimą i około 35 ? chłodniej latem.
Naukowcy zwracają uwagę, że zastąpienie folii srebrnej folią aluminiową spowodowałoby, że folie byłyby tańsze i można je wytwarzać za pomocą skalowalnych metod wytwarzania, takich jak odparowywanie wiązką elektronów i rozpylanie magnetronowe. Teraz, gdy zademonstrowali wydajność chłodzenia i koloru folii, naukowcy planują zbadać i zoptymalizować inne właściwości, takie jak wytrzymałość mechaniczna i chemiczna.