Un equipo de científicos, de la Universidad de Shenzhen, crea finas películas de colores vibrantes, inspiradas en mariposas, con propiedades para enfriar los objetos
Publicado por Optica en agosto 3, 2023
En un caluroso día de verano, la ropa blanca resulta más fresca que la de otros colores debido a que refleja (no absorbe) la luz solar. Otros colores, como el azul o el negro, sufrirán un efecto de calentamiento a medida que absorben la luz. Para evitar este efecto de calentamiento en sus películas de colores, los investigadores se inspiraron en las nanoestructuras de las alas de mariposa.
Estas películas de nueva creación, que no absorben luz alguna, podrían usarse en el exterior de edificios, vehículos y equipos para reducir la energía necesaria para su refrigeración, preservando al mismo tiempo las propiedades de los colores vivos.
"En los edificios se utilizan grandes cantidades de energía para la refrigeración y la ventilación, y el funcionamiento del aire acondicionado en los automóviles eléctricos puede reducir su rango de conducción en más de un 50 por ciento", explicaba el líder del equipo de investigación Wanlin Wang de la Universidad de Shenzhen en China. "Nuestras películas de enfriamiento podrían ayudar a avanzar en la sostenibilidad energética y la neutralidad del carbono".
En su publicación en Optica, la revista de Optica Publishing Group, los investigadores muestran que las películas que desarrollaron reducen la temperatura de los objetos coloridos en aproximadamente 2 ° C por debajo de la temperatura ambiente. También encontraron que, si se dejaba fuera todo el día, la versión de la película azul era aproximadamente 26 ° C más fría que la pintura azul tradicional para automóviles. Esto representa un ahorro energético anual de aproximadamente 1.377 MJ/m2 al año.
"Con nuestras nuevas películas, se puede lograr un excelente rendimiento de enfriamiento, sin importar el color, la saturación o el brillo deseados", dijo Wang. "Incluso podrían usarse en textiles para crear ropa de cualquier color que sea cómoda, para temperaturas cálidas".
Inspirados por la forma en que la mariposa Morpho crea color, los investigadores desarrollaron películas de color que no absorben la luz y, por lo tanto, no se calientan. Los investigadores utilizaron una cámara infrarroja (abajo) para comparar la temperatura de sus películas de enfriamiento con la pintura tradicional, cuando se dejan al sol. Crédito: Wanlin Wang, Universidad de Shenzhen
Inspirado en la naturaleza
Un automóvil con pintura azul aparece azul porque absorbe la luz amarilla y refleja la luz azul. La gran cantidad de luz que se absorbe calienta el coche. Las mariposas Morpho, sin embargo, producen su color azul altamente saturado basado en la nanoestructura de sus alas. El diseño de la nanopelícula de enfriamiento imita estas estructuras para producir colores vibrantes que no absorben la luz como lo hace la pintura tradicional.
Para crear sus nano películas inspiradas en Morpho, los investigadores colocaron un material desordenado (vidrio esmerilado en bruto) debajo de un material multicapa hecho de dióxido de titanio y dióxido de aluminio. Luego colocaron esta estructura sobre una capa de plata que refleja toda la luz, evitando así la absorción de la radiación solar y el calentamiento asociado con esa absorción.
El color de la película está determinado por la forma en que los componentes reflejan la luz dentro de su estructura de múltiples capas. Para crear azul, por ejemplo, el material multicapa está diseñado para reflejar la luz amarilla en un rango muy estrecho de ángulos, mientras que la estructura desordenada difunde la luz azul en un área amplia.
Aunque este tipo de gestión térmica fotónica pasiva se ha logrado antes, solo se ha utilizado con objetos blancos o claros porque es difícil mantener al mismo tiempo un ángulo de visión amplio y una alta saturación de color.
Enfriamiento pasivo de objetos coloridos
"Gracias a la estructura en capas que desarrollamos, pudimos extender el método de enfriamiento pasivo de objetos incoloros a los coloridos, mientras preservábamos el rendimiento del color", dijo Wang. "En otras palabras, nuestra película azul se ve azul en una amplia gama de ángulos de visión y no se calienta porque refleja toda la luz. Además, se puede lograr una alta saturación y brillo optimizando la estructura".
Los investigadores utilizaron fotografías infrarrojas (derecha) para comparar sus películas de enfriamiento (abajo) con la pintura tradicional (arriba). Las muestras se colocaron en el capó de un automóvil bajo la luz solar directa de mediodía. Crédito: Wanlin Wang, Universidad de Shenzhen
Para probar la nueva tecnología, los investigadores crearon películas azules, amarillas e incoloras, que colocaron al aire libre, de 9 de la mañana a 4 de la tarde, en la Universidad de Shenzhen, sobre superficies como techos, automóviles, telas y teléfonos móviles, tanto en invierno como en verano. Usando sensores de termopar y cámaras infrarrojas para medir la temperatura, encontraron que, en invierno, las películas de enfriamiento eran más de 15 ° C más frías que las superficies sobre las que se colocaron y aproximadamente 35 ° C más frías en el verano.
Los investigadores señalaron que si se reemplaza la película de plata con una película de aluminio las películas serían menos costosas y se podrían fabricarse siguiendo un método de fabricación escalable, como la evaporación por haz de electrones y la pulverización catódica de magnetrón. Ahora que han demostrado el enfriamiento y el rendimiento del color de las películas, los investigadores planean estudiar y optimizar otras propiedades como su robustez mecánica y química.
Más información: Wanlin Wang et al, Enfriamiento de colores por debajo de la temperatura ambiente, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.487561
Información de la revista: Optica
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