植物由来の素材で作られたカラフルで質感のある二層フィルムは、太陽の下で冷やされます。 クレジット: Qingchen Shen
エアコンの涼しい風は、灼熱の暑さを和らげるのに大いに必要ですが、これらのユニットはかなりの量のエネルギーを消費し、強力な温室効果ガスを放出する可能性があります. 現在、科学者は環境に優しい代替手段を導入しています。それは、日光にさらされると冷却され、さまざまなテクスチャと鮮やかな虹色の色を呈する植物ベースのフィルムです。 この材料は、将来的に外部電源を必要とせずに建物、車両、およびその他の構造物を冷却する可能性を秘めています。
研究者らは最近、アメリカ化学会 (ACS) の春季大会でその発見を発表しました。
「日中、周囲の空気よりも低温を保つ材料を作るには、太陽の光を多く反射し、吸収しないものが必要です。これにより、光のエネルギーが熱に変換されます。」 D.、プロジェクトの主任研究員。 「この特性を持つ素材はごくわずかであり、着色顔料を追加すると、通常、冷却効果が失われます」と Vignolini 氏は付け加えます。
日中のパッシブ放射冷却 (PDRC) は、空気や大気に吸収されることなく、表面が自身の熱を空間に放出する能力です。 その結果、電力をまったく使用しない表面は、周囲の空気よりも数度低くなる可能性があります。 建物やその他の構造物に使用すると、この効果を促進する材料は、空調やその他の電力集約型の冷却方法の使用を制限するのに役立ちます。
現在開発中の塗料やフィルムの中には PDRC を達成できるものもありますが、そのほとんどは白または鏡面仕上げになっていると、会議で作品を発表している Qingchen Shen 博士は述べています。 Vignolini と Shen はどちらもケンブリッジ大学 (英国) にいます。 しかし、青色の PDRC 塗料を使用したい建物の所有者は運が悪いでしょう。有色顔料は定義上、太陽光の特定の波長を吸収し、目に見える色のみを反射するため、その過程で望ましくない温暖化効果を引き起こします。
しかし、顔料を使わずに色を出す方法があります。 たとえば、シャボン玉は、表面にさまざまな色のプリズムを示します。 これらの色は、構造色と呼ばれる現象である泡の膜のさまざまな厚さと光が相互作用する方法から生じます。 ヴィニョリーニの研究の一部は、自然界のさまざまな種類の構造色の背後にある原因を特定することに焦点を当てています。 あるケースでは、彼女のグループは、植物に見られるセルロースに由来するセルロース ナノクリスタル (CNC) が、顔料を追加せずに虹色のカラフルなフィルムにできることを発見しました。
結局のところ、セルロースは PDRC を促進できる数少ない天然素材の 1 つでもあります。 ヴィニョリーニは、最初に冷却フィルム素材を作成した研究者からの話を聞いて、このことを知りました。 「うわー、これは本当にすごいと思いました。セルロースでこれができるとは思いもしませんでした。」
最近の研究では、Shen と Vignolini はカラフルな CNC 材料をエチルセルロースから作られた白色の材料と重ね合わせ、カラフルな 2 層 PDRC フィルムを作成しました。 彼らは鮮やかな青、緑、赤の色のフィルムを作り、日光の下に置くと、周囲の空気よりも平均で約 7 F 低温でした。 1 平方メートルのフィルムで 120 ワットを超える冷却能力が生成され、多くのタイプの家庭用エアコンに匹敵しました。 この研究で最も困難だったのは、2 つの層をくっつける方法を見つけることだったとシェンは言います。[{” attribute=””>plasma-treated to get good adhesion. The result, however, was films that were robust and could be prepared several meters at a time in a standard manufacturing line.
Since creating these first films, the researchers have been improving their aesthetic appearance. Using a method modified from approaches previously explored by the group, they’re making cellulose-based cooling films that are glittery and colorful. They’ve also adjusted the ethyl cellulose film to have different textures, like the differences between types of wood finishes used in architecture and interior design, says Shen. These changes would give people more options when incorporating PDRC effects in their homes, businesses, cars, and other structures.
The researchers now plan to find ways they can make their films even more functional. According to Shen, CNC materials can be used as sensors to detect environmental pollutants or weather changes, which could be useful if combined with the cooling power of their CNC-ethyl cellulose films. For example, a cobalt-colored PDRC on a building façade in a car-dense, urban area could someday keep the building cool and incorporate detectors that would alert officials to higher levels of smog-causing molecules in the air.
Meeting: ACS Spring 2023
The researchers acknowledge support and funding from Purdue University, the American Society of Mechanical Engineers, the European Research Council, the Engineering and Physical Sciences Research Council, the Biotechnology and Biological Sciences Research Council, the European Union and Shanghai Jiao Tong University.