Нанокристаллические «окрашенные» пленки могут когда-нибудь помочь облегчить летнюю жару

Sep 24, 2023

Перья павлина приобретают свой яркий синий и зеленый цвет не из-за цветных пигментов, а из-за микроскопических структур, преломляющих и отражающих свет. Тонкие нанокристаллические пленки используют аналогичную стратегию, чтобы продемонстрировать яркие оттенки, не нагреваясь при солнечном свете.

Сарают Танират / Moment / Getty Images Plus

Кэти Грейс Карпентер

5 часов назад

Когда лето становится жарче, будущие дома могут остывать благодаря покрытиям из ярких нанокристаллов.

Обычные покрытия, например краска, нагреваются на солнце. Новые кристаллические пленки под воздействием солнечного света становятся холоднее, чем воздух вокруг них. Они делают это, отражая солнечные лучи и выпуская это тепло в космическое пространство.

Эти покрытия могут обеспечить устойчивый способ сохранять прохладу — без необходимости подачи электроэнергии — для автомобилей, домов и офисов. Это было бы большим шагом вперед по сравнению с кондиционерами, которые потребляют много энергии и могут выделять газы, которые способствуют глобальному потеплению.

Цинчэнь Шен и его коллеги создали красочную подборку новых покрытий. Шен изучает материаловедение в Кембриджском университете в Англии. Его команда поделилась своей работой 26 марта на весеннем собрании Американского химического общества (ACS). Это произошло в Индианаполисе, штат Индиана.

Поверхности, которые становятся холоднее окружающей среды, необычны.

Причина: горячие предметы излучают тепло через невидимый инфракрасный свет. Они передают свое тепло воздуху вокруг себя. Когда объект и воздух достигают одинаковой температуры, этот перенос прекращается. Таким образом, охлаждение прекращается.

Это объясняет, почему, скажем, нагретый солнцем капот автомобиля излучает тепло, которое нагревает воздух внутри и снаружи автомобиля.

Но определенные длины волн инфракрасного света не поглощаются воздухом. Они могут покинуть атмосферу и отправиться в космос. Новые пленки выделяют тепло на этих длинах волн. Таким образом, они могут выделять тепло, не нагревая окружающий воздух, и становиться прохладнее, чем воздух вокруг них, даже когда они залиты солнечным светом.

Этот метод охлаждения имеет длинное название: пассивное дневное радиационное охлаждение. Команда Шена не изобрела этот процесс. Другие материалы тоже делают то же самое. Но обычно приходится идти на компромисс: до сих пор это делали только белые или зеркальные поверхности. Такие поверхности отражают много света, не позволяя этому свету нагревать поверхность.

Теперь команда Шена нашла способ создавать красочные поверхности с пассивным охлаждением. «Мы можем производить красный, зеленый и синий», — говорит Шен. Но чем он действительно гордится, так это различными текстурами. Они создали все: от блестящих переливающихся пленок до успокаивающей текстуры натурального дерева.

Новые пленки не получают свой цвет от пигментов, которые придают краскам и одежде оттенок. Эти химические вещества действуют, отражая только те цвета света, которые мы видим, и поглощая остальной свет. Поглощенный свет нагревает материал.

Вот почему «если вы носите черную футболку, вам становится теплее, чем если бы вы носили белую футболку», — объясняет Сильвия Виньолини. Она химик из Кембриджского университета, которая также работала над новыми фильмами.

Если бы эти пленки получали свой цвет благодаря пигментам, они бы «поглощали часть солнечного света, а затем нагревались», говорит Шен. Это «противодействовало бы охлаждению».

Вместо этого цвет пленок обусловлен микроскопическими структурами. Это известно как структурный цвет. Мелкие узоры на поверхности пленок не поглощают свет. Вместо этого световые волны отражаются от них определенным образом, так что до наших глаз доходят только определенные цвета. Изменение микроструктурных узоров меняет цвет, который мы видим.

Структурная окраска распространена в природе. Радужный блеск мыльного пузыря обусловлен структурным цветом. Еще один пример — яркие перья павлина. Как и яркие лица некоторых бабуинов, говорит Виньолини. Их прохладные голубые пятна состоят из крошечных шариков белка под названием коллаген.

Цвет новых пленок создается за счет крошечных кристаллов целлюлозы. Они изготавливаются из растительных волокон. Целлюлоза не просто распространена и экологически безопасна. Он также излучает тепло в виде инфракрасных волн, которые могут выйти за пределы атмосферы.

В фильме два слоя. Верхний слой — кристаллизованная целлюлоза, придающая цвет. Различные кристаллические узоры дают разные цвета. Нижний слой составляет другая форма целлюлозы — этилцеллюлоза. Этот слой изрыт и рассеивает весь свет, просачивающийся через верхний слой.