Исследователи Columbia Engineering разработали пористые полимерные покрытия (PPC), которые обеспечивают недорогие и масштабируемые способы управления светом и теплом в зданиях. Они воспользовались возможностью оптического переключения PPC в солнечных длинах волн для регулирования солнечного нагрева и дневного света, а также расширили концепцию на тепловые инфракрасные длины волн для модуляции тепла, излучаемого объектами.
Их работа опубликована 21 октября 2019 года издательством Joule.
«Наша работа показывает, что, смачивая КПК обычными жидкостями, такими как спирты или вода, мы можем обратимо переключать их оптическое пропускание в солнечной и тепловой длинах волн», – говорит Джотирмой Мандал, ведущий автор исследования и бывший аспирант в лаборатории Юань.
Ян, доцент кафедры материаловедения и инженерии. «Помещая такие КПП в полые пластиковые или стеклянные панели, мы можем изготавливать ограждающие конструкции, которые могут регулировать температуру и свет в помещении."
Дизайн команды похож на умные окна, но с более высокой оптической переключаемостью и построен с использованием более простых и недорогих материалов, которые могут сделать его реализуемым в больших масштабах.
Он основан на более ранней работе, в которой было продемонстрировано фторполимерное покрытие, напоминающее краску, с воздушными пустотами от нано до микромасштаба, которые могут охлаждать здания. Однако это покрытие было статичным. «В таких местах, как Нью-Йорк, где жаркое лето и суровая зима, конструкции, которые могут переключаться между режимами обогрева и охлаждения, могут быть более полезными», – говорит Ян.
Команда начала свою работу по оптическому переключению PPC случайно, когда Мандал заметил, что несколько капель спирта, пролитого на белый фторполимерный PPC, сделали его прозрачным. «Мы видели тот же механизм, который заставляет бумагу становиться полупрозрачной при намокании, но на почти оптимальном уровне», – говорит Мандал. "Физика этого была исследована ранее, но резкое переключение, которое мы видели, привело нас к изучению этого конкретного случая и того, как его можно использовать."
Пористый материал, такой как бумага, кажется белым, потому что воздух в порах имеет другой показатель преломления (~ 1), чем у пористого материала (~ 1.5), заставляя их рассеивать и отражать свет. При смачивании водой, имеющей показатель преломления (~ 1.33) ближе к материалу рассеяние уменьшается и проходит больше света, что делает его полупрозрачным. Пропускание увеличивается, когда показатели преломления близки. Исследователи обнаружили, что их фторполимер (~ 1.4) и типичные спирты (~ 1.38) имеют очень близкие показатели преломления.
«Таким образом, при намокании пористый полимер становится оптически однородным», – говорит Ян. "Свет больше не рассеивается, а проходит сквозь него, как если бы он проходил через твердое стекло, – пористый полимер становится прозрачным."
Из-за почти идеального совпадения показателей преломления спиртов и фторполимера, команда смогла изменить коэффициент пропускания солнечного света своих PPC на ~ 74%; для видимой части солнечного света изменение составило ~ 80%. Хотя переключение происходит медленнее, чем в обычных умных окнах, изменения коэффициента пропускания значительно выше, что делает КПК привлекательными для управления дневным светом в зданиях.
Исследователи также исследовали, как оптическое переключение можно использовать для терморегуляции. «Мы придумали, что крыши белые летом, чтобы сохранять здания в прохладе, и становиться черными зимой, чтобы обогревать их, – говорит Ян. – Это может значительно снизить затраты на кондиционирование и отопление зданий."
Чтобы проверить свою идею, исследователи поместили панели, содержащие PPC, на игрушечные домики с черными крышами. Одна панель была сухой и светоотражающей, а другая влажной и полупрозрачной, показывая черную крышу под ней. Под солнечным светом в летний полдень белая крыша становилась холоднее окружающего воздуха на ~ 3 раза?С / 5?F, а черный стал намного горячее, на ~ 21?С / 38?F.
Команда также исследовала переключение длин волн теплового инфракрасного излучения и наблюдала новое переключение между состояниями «ледниковый» и «тепличный» путем смачивания прозрачных для инфракрасного излучения полиэтиленовых PPC. В сухом состоянии пористые полиэтиленовые КПК отражают солнечный свет, но пропускают излучаемое тепло, ведя себя как «ледник».«Смачивание КПК заставляет их пропускать солнечный свет, а поскольку обычные жидкости поглощают тепловые волны, они блокируют излучаемое тепло, как в теплице.
Поскольку они регулируют как солнечное, так и тепловое излучение, они могут регулировать тепло как днем, так и ночью.
«Несмотря на простоту получения, переход довольно необычен по сравнению с переключением в других оптических системах, и, возможно, впервые о нем сообщается», – говорит Мандал.
Команда Яна также проверила другие потенциальные применения, такие как тепловой камуфляж и краски, реагирующие на дождь.
Последний можно использовать для охлаждения или обогрева зданий в средиземноморских климатических зонах и на побережье Калифорнии, где лето сухое, а зима – дождливая. В настоящее время исследователи ищут способы масштабирования своих проектов и изучают возможности их развертывания и тестирования в больших масштабах.
«Учитывая масштабируемость и производительность конструкций на основе PPC, мы надеемся, что их приложения получат широкое распространение, – говорит Ян, – в частности, мы воодушевлены их потенциальным применением на фасадах зданий."
Мандал, который сейчас проводит постдокторские исследования в качестве научного сотрудника Шмидта в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, добавляет: «Мы сознательно выбрали общедоступные полимеры и простые конструкции для нашей работы. Цель состоит в том, чтобы сделать их производимыми на месте и внедрить в развивающихся странах, где они будут иметь наибольшее влияние."