Пінгвіни надихнули: вчені розробили матеріал, який одночасно і гріє і охолоджує

Ви знаєте це відчуття, коли вдягаєтеся для сніжного дня, а потім змушені знімати все в теплому офісі? Пінгвінам це не знайомо. У спеку чи в холод вони просто “існують у комфорті”. Натхненні цими незграбними, але надзвичайно ефективними майстрами терморегуляції, вчені створили матеріал, який може пасивно перемикатися між режимами нагрівання та охолодження.

Матеріал, розроблений спільною командою дослідників з Харбінського технологічного інституту, Хенаньського педагогічного університету та Сучжоуської лабораторії, може поглинати сонячне світло для нагрівання, відбивати його для охолодження, а також блокувати або пропускати мікрохвилі залежно від температури. Крім того, він відштовхує лід і воду. Наразі технологія залишається на лабораторному етапі. Наступні кроки — довготривалі тести, масштабування виробництва та адаптація до реального використання. Дослідження опубліковане в журналі Advanced Functional Materials.

Нахил і орбіта Землі створюють сезони з різкими перепадами температур. У деяких регіонах рік може включати як спекотне літо, так і сувору зиму. Щоб пристосуватися до цього, людство створило безліч технологій терморегуляції. Пасивні рішення включають спеціальні покриття та матеріали для будівель і транспорту, які або поглинають тепло, або відбивають його.

“Проблема в тому, що температури не стабільні, а матеріали зазвичай добре працюють лише в одному режимі. Поверхня, яка чудово відбиває тепло влітку, взимку може стати неефективною, відбиваючи корисне сонячне тепло.Ситуацію ускладнює й сучасна техніка. Ми живемо серед антен, систем зв’язку, радарів, сенсорів, супутників, дронів і щільного електромагнітного середовища”, — йдеться у дослідженні.

На жаль, терморегуляція і керування електромагнітними хвилями часто суперечать одне одному. Охолоджувальні матеріали зазвичай відбивають сонячне світло, тоді як матеріали для екранування мікрохвиль часто базуються на електропровідності — що може збільшувати нагрівання.

Об’єднати ці функції в одному матеріалі без втрати ефективності було надзвичайно складно. Інженери створили хороші термопокриття та окремо — матеріали для електромагнітного захисту. Але матеріал, який міг би динамічно перемикатися між нагріванням і охолодженням і одночасно змінювати взаємодію з мікрохвилями, залишався майже на рівні наукової фантастики. До сьогодні.

“Ми створили “Janus”-плівку, названу на честь дволикого римського бога, яка саме це й робить. В основі конструкції лежить діоксид ванадію (VO₂) — незвичайна сполука з “подвійною поведінкою”. За низьких температур VO₂ є ізолятором. Але при нагріванні приблизно до 68 °C він різко переходить у металоподібний, провідний стан. Цей перехід зменшує електричний опір приблизно в 10 000 разів. Саме це дозволяє плівці динамічно керувати мікрохвилями”, — кажуть дослідники.

Для створення матеріалу дослідники вбудували VO₂ у мікроскопічні волокнисті структури в гнучкому полімерному шарі. Одна сторона плівки виконує функцію “нагрівальної”. Вона поглинає близько 94,5% сонячної енергії, швидко нагріваючись під сонцем. У лабораторних тестах поверхня досягала приблизно 73 °C, що на 52 °C вище за навколишнє середовище. У польових умовах температура піднімалася до 87 °C. Коли VO₂ переходить у провідний стан, структура матеріалу змінює спосіб взаємодії з мікрохвилями.

За кімнатної температури мікрохвилі майже безперешкодно проходять крізь матеріал. Але після нагрівання він починає активно поглинати та відбивати їх. Дослідники продемонстрували керування мікрохвилями в діапазоні 8,2–40 ГГц, який охоплює важливі радарні та комунікаційні частоти. У X-діапазоні (радарні та супутникові системи) передача сигналу падала з 83,6% до 0,06% після нагрівання, а ефективність екранування перевищувала 30 дБ. Для демонстрації показали Bluetooth-з’єднання, яке працювало нормально при низькій температурі, але зникало після нагрівання матеріалу.

“Інша сторона плівки працює навпаки — для охолодження. Вона використовує силікатні частинки та пористу структуру, щоб відбивати сонячне світло та ефективно випромінювати тепло в середньому інфрачервоному діапазоні”, — пояснює дослідження.

Ця сторона відбиває понад 90% сонячного світла і має інфрачервону емісивність 97,1%. У тестах вона підтримувала температуру на 4–12 °C нижчу за навколишнє середовище. Таким чином, один матеріал може діяти як “сонячний нагрівач” з одного боку і як система радіаційного охолодження з іншого.

Спецпроєкти

Ідея пінгвінів полягає в їхній здатності регулювати тепло завдяки шаруватій структурі пір’я, напрямній ізоляції та водонепроникності. Пінгвіни фактично є природними інженерами терморегуляції. Матеріал також наслідує їхню водовідштовхувальну властивість. Обидві сторони є супер-гідрофобними: вода не розтікається, а скочується з поверхні. Це також дає захист від обмерзання.

“Під час тестів замерзання затримувалося до 812 секунд. При температурі близько −6 °C лід повністю танув приблизно за 17,4 хвилини”, — пишуть дослідники.

Хоча існують окремі матеріали для охолодження, нагрівання, екранування мікрохвиль і захисту від льоду, поєднати все це в одному пасивному матеріалі без двигунів або складної електроніки було складно. Будівлі могли б використовувати одну сторону взимку для нагрівання, а іншу влітку — для охолодження. За оцінками дослідників, економія енергії може становити близько 38,9 МДж на квадратний метр на рік (приблизно 11 кВт·год).

Транспорт і літаки могли б отримати “розумну шкіру”, яка регулює температуру та електромагнітні сигнали. Електронні корпуси могли б або пропускати, або блокувати зв’язок залежно від умов. Хоча автори не називають це технологією стелс, очевидні потенційні військові та аерокосмічні застосування матеріалу, який може змінювати поведінку в мікрохвильовому спектрі.