Китайські матеріалознавці розробили матеріал, який вміє реагувати на температуру навколо та перемикатися між режимами збирання тепла для нагріву та навпаки його відбивання для охолодження. Такий термохромізм, як його назвали вчені, відбувається без жодного зовнішнього джерела енергії, а завдяки полімеру із ефектом пам'яті форми, шари із різними характеристиками якого згортатимуться-розгортатимуться, залежно від температури навколо. Як пишуть вчені у статті, опублікованій у PNAS, надихнула їх на роботу мімоза соромлива та гімалайські кролики.
Згортання світловідбивного матеріалу за зниження температури. Quan Zhang et al. / PNAS, 2022
Як охолоджують матеріали?
Зараз все більше зусиль матеріалознавці направляють на розробку матеріалів, які могли б зберігати та, навпаки, відводити тепло, щоб знизити кількість використовуваної на обігрівачі та кондиціонери енергії — на традиційні системи теплоконтролю припадає понад 40 відсотків викидів вуглекислого газу. А розумні матеріали могли б виконувати цю роботу пасивно, не вимагаючи додаткової енергії, що знизить шкоду екології.
Сонячний спектр складається з видимого світла (довжина хвилі 400-700 нанометрів) та ближнього інфрачервоного випромінювання (700-2500 нанометрів). І щоб матеріал сприяв охолодженню, він має не просто відбивати видиме сонячне випромінювання, а і випромінювати в інфрачервоному діапазоні, що дозволить охолоджуватися навіть під прямими сонячними променями. Цей же процес можна обернути і на нагрівання, створивши матеріал, який поглинав сонячне випромінювання та майже не випромінював і інфрачервоному діапазоні, виділяючи енергію у вигляді тепла.
Інженери ж з Нанкайського університету, що у Китаї, з огляду на мінливість погоди, вирішили створити такий матеріал, який міг би одночасно забезпечити і охолодження, і нагрівання, змінюючи свої спектральні характеристики залежно від температури навколо.
І навпаки, розгортання шару для відбивання сонячного випромінювання з ростом температури. Quan Zhang et al. / PNAS, 2022
До чого тут кролики?
Дослідники надихнулися тим, як гімалайські кролики змінюють окрас зі зміною погоди, а також мімозою соромливою, яка відома складанням і розкриванням свого листя, якщо її торкнутися. Тож їхній матеріал здатний самостійно перемикатися між режимами охолодження і нагрівання, згортаючи і розгортаючи шари із потрібними спектральними характеристиками. Так у режимі нагрівання матеріал поглине до 73 відсотків сонячного випромінювання та знизить свою відбивну здатність в інфрачервоному діапазоні, а в режимі охолодження, навпаки, відбиватиме до 65 відсотків видимого сонячного світла та випромінюватиме 95 відсотків у середньому інфрачервоному діапазоні.
Як матеріал реагує на тепло?
Як тільки температура перевищує 39,9 градуса Цельсію, кут вигину між основою та шаром, який має сприяти нагріванню, що змусить його розгортатися. Втім, тільки-но температура знижується, кут вигину почне навпаки збільшуватися, що змусить шар згорнутися назад. Цього вдалося досягти за допомогою полімеру з пам'яттю форми, тож температуру спрацювання можна налаштувати ще за виготовлення.
Вчені протестували цикли такого згортання-розгортання 500 разів та не помітили суттєвої деформації, хоча і відмічають, що шар, що відбиває, не має щільного контакту з тим, що світло має навпаки накопичувати, під час розгортання. Це обмежує кількість тепла, яка може передаватися між ними, а заразом і загальну ефективність системи.
Нещодавнє дослідження свідчить, що для досягнення цілей Паризької кліматичної угоди, державам потрібно зменшити викиди ще на 80 відсотків. І нові способи охолодження та обігріву, які б зменшували шкідливий вплив є вкрай актуальними. Так, наприклад, ми розповідали про експеримент із охолоджувальними тротуарами, які допомогли знизити температуру та кількість парникових викидів.
Охолоджуватися можна і за допомогою одягу: наприклад, обробка шовку наночастинками оксиду алюмінію не дала йому нагрітися, так само як і пошита з метатканини на основі оксиду титану і поліактидів сорочка, які відбивають сонячне світло. Більше про глобальне потепління ми писали у матеріалі «Глобальне потепління — не міф?».