Пингвины вдохновили: ученые разработали материал, который одновременно и греет и охлаждает
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2Ffbd7bac67b4071a711249129062a3fb5.png)
Вы знаете это ощущение, когда одеваетесь для снежного дня, а потом вынуждены снимать все в теплом офисе? Пингвинам это не знакомо. В жару или в холод они просто «существуют в комфорте». Вдохновленные этими неуклюжими, но чрезвычайно эффективными мастерами терморегуляции, ученые создали материал, который может пассивно переключаться между режимами нагрева и охлаждения.
Материал, разработанный совместной командой исследователей из Харбинского технологического института, Хэнаньского педагогического университета и Сучжоуской лаборатории, может поглощать солнечный свет для нагрева, отражать его для охлаждения, а также блокировать или пропускать микроволны в зависимости от температуры. Кроме того, он отталкивает лед и воду. На данный момент технология остается на лабораторном этапе. Следующие шаги — долговременные тесты, масштабирование производства и адаптация к реальному использованию. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Наклон и орбита Земли создают сезоны с резкими перепадами температур. В некоторых регионах год может включать как жаркое лето, так и суровую зиму. Чтобы приспособиться до этого, человечество создало множество технологий терморегуляции. Пассивные решения включают специальные покрытия и материалы для зданий и транспорта, которые либо поглощают тепло, либо отражают его.
«Проблема в том, что температуры не стабильны, а материалы обычно хорошо работают только в одном режиме. Поверхность, которая прекрасно отражает тепло летом, зимой может стать неэффективной, отражая полезное солнечное тепло. Мы живем среди антенн, систем связи, радаров, сенсоров, спутников, дронов и плотной электромагнитной среды», — говорится в исследовании.
К сожалению, терморегуляция и управление электромагнитными волнами часто противоречат друг другу. Охлаждающие материалы обычно отражают солнечный свет, тогда как материалы для экранирования микроволн часто базируются на электропроводности — что может увеличивать нагрев.
Объединить эти функции в одном материале без потери эффективности было чрезвычайно сложно. Инженеры создали хорошие термопокрытия и отдельно — материалы для электромагнитной защиты. Но материал, который мог бы динамически переключаться между нагревом и охлаждением и одновременно изменять взаимодействие с микроволнами, оставался почти на уровне научной фантастики. До сегодняшнего дня.
«Мы создали «Janus»-пленку, названную в честь двуликого римского бога, которая именно это и делает. В основе конструкции лежит диоксид ванадия (VO₂) — необычное соединение с «двойным поведением». При низких температурах VO₂ является изолятором. Но при нагревании примерно до 68 °C он резко переходит в металлоподобное, проводящее состояние. Этот переход уменьшает электрическое сопротивление примерно в 10 000 раз. Именно это позволяет пленке динамично управлять микроволнами», — говорят исследователи.
Для создания материала исследователи встроили VO₂ в микроскопические волокнистые структуры в гибком полимерном слое. Одна сторона пленки выполняет функцию «нагревательной». Она поглощает около 94,5% солнечной энергии энергии, быстро нагреваясь под солнцем. В лабораторных тестах поверхность достигала примерно 73 °C, что на 52 °C выше окружающей среды. В полевых условиях температура поднималась до 87 °C. Когда VO₂ переходит в проводящее состояние, структура материала меняет способ взаимодействия с микроволнами.
При комнатной температуре микроволны почти беспрепятственно проходят сквозь материал. Но после нагрева он начинает активно поглощать и отражать их. Исследователи продемонстрировали управление микроволнами в диапазоне 8,2-40 ГГц, который охватывает важные радарные и коммуникационные частоты. В X-диапазоне (радарные и спутниковые системы) передача сигнала падала с 83,6% до 0,06% после нагрева, а эффективность экранирования превышала 30 дБ. Для демонстрации показали Bluetooth-соединение, которое работало нормально при низкой температуре, но исчезало после нагревания материала.
«Другая сторона пленки работает наоборот — для охлаждения. Она использует силикатные частицы и пористую структуру, чтобы отражать солнечный свет и эффективно излучать тепло в среднем инфракрасном диапазоне», — объясняет исследование.
Эта сторона отражает более 90% солнечного света и имеет инфракрасную эмиссивность 97,1%. В тестах она поддерживала температуру на 4-12 °C ниже окружающей среды. Таким образом, один материал может действовать как «солнечный нагреватель» с одной стороны и как система радиационного охлаждения с другой.
Идея пингвинов заключается в их способности регулировать тепло благодаря слоистой структуре перьев, направляющей изоляции и водонепроницаемости. Пингвины фактически являются естественными инженерами терморегуляции. Материал также наследует их водоотталкивающее свойство. Обе стороны являются супер-гидрофобными: вода не растекается, а скатывается с поверхности. Это также дает защиту от обледенения.
«Во время тестов замерзание задерживалось до 812 секунд. При температуре около -6 °C лед полностью таял примерно за 17,4 минуты», — пишут исследователи.
Хотя существуют отдельные материалы для охлаждения, нагрева, экранирования микроволн и защиты от льда, совместить все это в одном пассивном материале без двигателей или сложной электроники было сложно. Здания могли бы использовать одну сторону зимой для нагрева, а другую летом — для охлаждения. По оценкам исследователей, экономия энергии может составлять около 38,9 МДж на квадратный метр в год (примерно 11 кВт-ч).
Транспорт и самолеты могли бы получить «умную кожу», которая регулирует температуру и электромагнитные сигналы. Электронные корпуса могли бы либо пропускать, либо блокировать связь в зависимости от условий. Хотя авторы не называют это технологией стелс, очевидны потенциальные военные и аэрокосмические применения материала, который может изменять поведение в микроволновом спектре.
Источник: New Atlas