На представленной иллюстрации изображена охлаждающая цветная пленка, разработанная на основе структуры крыла бабочки Morpho menelaus. Слева представлены фотография, микрофотография с электронного микроскопа и схема строения крыльев M.M., в то время как справа приведена схема многослойной пленки, созданной по данному образцу (Wanlin Wang et al. / Optica). Китайскими учеными были разработаны многослойные цветные покрытия, способные снижать температуру поверхности до двух градусов Цельсия относительно окружающей среды. Данные пленки обладают высокой насыщенностью цвета (до 100 процентов цветопередачи), которая сохраняется в широком диапазоне углов обзора (±60 градусов). В основу архитектуры структуры легли биологические особенности бабочки Morpho menelaus. Результаты исследования опубликованы в журнале Optica. В отличие от большинства синтетических красок, работающих за счет поглощения части видимого спектра и вызывающих значительный нагрев поверхностей, данная технология обеспечивает эффективное охлаждение.
Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев.
Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца.
Цвет образца и крыла бабочки M. menelaus под разными углами обзора. Угол падающего света на образцы во всех случаях составлял 10 градусов. Wanlin Wang et al. / Optica
В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне.
Охлаждающая способность образцов. Сравнение нагрева обычной синей краски и охлаждающих многослойных образцов на крыше здания и на автомобиле. Справа приведен график притока тепла на метр квадратный для обычной синей краски и охлаждение для многослойного образца в течение года в Шенчжене (Китай). Wanlin Wang et al. / Optica
Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект.
Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.
Для любознательных
Такая задача действительно звучит необычно: обычно цветные плёнки либо поглощают свет (и нагреваются), либо отражают его. Но в России над сочетанием цвета и пассивного охлаждения действительно работают — я подобрала пару научных групп. Сразу оговорюсь: чаще речь идёт не о «плёнках в чистом виде», а о тонких многослойных покрытиях (иногда их наносят на гибкую подложку, и тогда это действительно похоже на плёнку).
- Лаборатория радиационного и космического материаловедения ТУСУРа (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники). Учёные здесь разрабатывают терморегулирующие покрытия, где многослойная структура позволяет одновременно управлять цветом и охлаждением. Идея в том, чтобы создать такую комбинацию слоёв (иногда с использованием наночастиц), которая будет отражать часть солнечного спектра (чтобы поверхность не нагревалась), при этом в других диапазонах (например, в инфракрасном) — эффективно излучать тепло. При этом за счёт подбора материалов и толщины слоёв можно «запрограммировать» нужный цвет. В проектах участвуют, например, Владимир Горончко и Михаил Михайлов. Интересно, что изначально разработки велись для космической отрасли (защита аппаратов от перегрева), но учёные подчёркивают: такие же покрытия можно применять и на Земле — например, наносить на стены зданий в жарком климате, чтобы снизить нагрев. tusur.ru +2
- ИПТМ РАН (Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка). В этом институте тоже исследуют тонкие многослойные структуры. Хотя в открытых публикациях акцент часто делается на других задачах (микроэлектроника, особочистые материалы), принципы создания многослойных структур с заданными оптическими и тепловыми свойствами, которые лежат в основе охлаждающих плёнок, здесь точно изучают. patents.google.com +2
Как это работает?
Секрет в том, чтобы «разделить» функции: одни слои отвечают за отражение видимого света (и задают цвет), другие — за управление инфракрасным излучением (сброс тепла). Иногда в структуру добавляют наночастицы, которые помогают тонко настраивать оптические свойства. tusur.ru +1
Где следить за новостями?
Если хотите глубже погрузиться в тему, советую смотреть новости на сайте ТУСУРа или изучать публикации в научных базах (например, «КиберЛенинка») по ключевым словам: «терморегулирующие покрытия», «многослойные структуры», «пассивное охлаждение», «нанотехнологии». Там регулярно выходят статьи с результатами экспериментов.
Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/
