Борьба с жарой: эти растения

Дженнифер Уэллетт — 30 мая 2023 г., 21:58 UTC

Лето уже близко, оно приносит с собой более высокие температуры и побуждает многих из нас включать кондиционер в особенно жаркие дни. Обратной стороной кондиционеров является то, что они поглощают энергию и могут выделять парниковые газы, что еще больше способствует глобальному потеплению. Следовательно, существует большой интерес к созданию экологически чистых альтернатив. Ученые из Кембриджского университета разработали новую инновационную пленку на растительной основе, которая охлаждается под воздействием солнечного света, что делает ее идеальной для охлаждения зданий или автомобилей в будущем без необходимости использования какого-либо внешнего источника энергии. Они описали свою работу на недавнем собрании Американского химического общества.

Технический термин для этого подхода — пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC), названное так потому, что оно не требует подачи энергии в систему для рассеивания тепла. Поверхность излучает собственное тепло в космос, не поглощаясь воздухом или атмосферой, тем самым становясь на несколько градусов холоднее окружающего воздуха без необходимости использования электрической энергии.

«Мы знаем, что существует самопроизвольная теплопередача между объектами с разной температурой», — сказал Цинчэнь Шен на пресс-конференции во время встречи. Их технология охлаждения использует эту тепловую передачу, но с одной изюминкой. Большинство материалов PDRC (краски, пленки и т. д.) имеют белый цвет или имеют зеркальную поверхность для достижения широкополосного отражения солнечного света. Пигменты или красители мешают этому, поскольку они поглощают определенные длины волн света и отражают только определенные цвета, тем самым преобразуя энергию света в тепло. Фильмы, созданные Шеном и др. окрашены, но это структурный цвет в виде нанокристаллов, а не за счет добавления пигментов или красителей. Таким образом, можно добавить цвет, не жертвуя эффективностью пассивного охлаждения.

Как сообщалось ранее, яркие переливающиеся цвета крыльев бабочек, мыльных пузырей или панцирей жуков, например, происходят не от каких-либо молекул пигмента, а от структуры крыльев — встречающийся в природе пример того, что физики называют фотонными кристаллами. В природе чешуйки хитина (полисахарид, свойственный насекомым) устроены как черепица. По сути, они образуют дифракционную решетку, за исключением того, что фотонные кристаллы производят только определенные цвета или длины волн света, в то время как дифракционная решетка создает весь спектр, подобно призме. Фотонные кристаллы, также известные как фотонные материалы с запрещенной зоной, являются «перестраиваемыми», что означает, что им точно приказано блокировать определенные длины волн света, пропуская при этом другие. Измените структуру, изменив размер плиток, и кристаллы станут чувствительны к другой длине волны.

Ученые могут создавать свои собственные структурные цветные материалы в лаборатории, но масштабирование процесса для коммерческого применения без ущерба для оптической точности может оказаться сложной задачей. Поэтому создание структурных цветов, подобных тем, которые встречаются в природе, является активной областью исследования материалов.

Например, в прошлом году ученые Массачусетского технологического института адаптировали технику голографической фотографии XIX века, изобретенную физиком Габриэлем Липпманном, для создания пленок, похожих на хамелеонов, которые меняют цвет при растяжении. Пленки были бы идеальными для изготовления повязок, которые меняют цвет в ответ на давление, позволяя медицинским работникам знать, если они слишком туго перевязывают рану — важный фактор при лечении таких заболеваний, как венозные язвы, пролежни, лимфедема и рубцы. Детям понравится носить повязки, меняющие цвет, что является находкой для педиатров. А возможность изготавливать большие листы материала открывает возможности для его применения в производстве одежды и спортивной одежды.

Хороший материал PDRC должен оставаться прохладнее, чем воздух вокруг него в течение дня, а это означает, что он должен отражать много солнечного света, не поглощая его. Шен и его коллеги решили работать с материалами растительного происхождения для своих переливающихся пленок с пассивным охлаждением, в частности с целлюлозой. «Целлюлоза — самый распространенный полимер в природе», — сказал Шен о выборе материала. «Вы можете легко найти целлюлозу в дереве или хлопке. Будучи натуральным материалом, целлюлоза устойчива и биосовместима. Она почти не поглощает солнечную энергию и имеет очень высокий коэффициент теплоизлучения в инфракрасном диапазоне. Эти свойства имеют решающее значение для достижения радиационное охлаждение».