Цветное охлаждение без электричества.

(Слева) Схема, изображающая расположение молекул и взаимодействие света с веществом в охлаждающем материале: фотонный кристалл на основе спиральных жидких кристаллов. (Справа) Реальные фотографии материалов в различных цветах. Полноразмерный цвет достигается за счёт контроля количества добавок (например, хиральных легирующих добавок). Предоставлено: Корейский институт науки и технологий. Источник.

На вопросах энергетики сосредоточено немало исследований, целью которых становятся разные решения ‒ от способов экономии ресурсов и повышения энергоэффективности устройств и технологий до разработки альтернативных источников энергии и обеспечения как можно большей автономности различных процессов. Например, уже существует несколько методов, способствующих снижению температуры в помещении без использования электропитания.

Они основаны на различных технологиях и обладают разной степенью эффективности ‒ от пары градусов до значительных показателей, ‒ однако даже самые слабые из них нельзя сбрасывать со счетов, поскольку все меры по охлаждению жилища имеют накопительный эффект. Так что в действительности именно их совокупность может обеспечить комфортную температуру.

Одним из основных фундаментальных явлений для этих мер является радиационное охлаждение ‒ свойство материалов понижать свою температуру за счёт излучения тепла в окружающую среду. Как правило, такие решения вносят несущественный вклад в общую задачу, но недавно команда учёных из Исследовательского центра нанофотоники при Корейском институте науки и технологий (KIST) разработала жидкокристаллический материал, который, возможно, даже способен перетянуть одеяло на себя.

«Мы разработали жидкокристаллическую технологию радиационного охлаждения, которая обеспечивает высокоэффективное охлаждение, имитируя принцип структурного цвета, за счёт которого бабочки производят цвет без пигментов», ‒ поясняет автор исследования доктор Кан Цзинь-гу, профессор KIST, старший научный сотрудник центра.

Работа опубликована в Chemical Engineering Journal.

Радиационное охлаждение происходит посредством выделения тепла в виде инфракрасного излучения за пределы атмосферы. Наши белые летние одеяния, позволяющие телу меньше нагреваться, работают по тому же принципу отражения части солнечного света. Решение привлекательно в качестве экологически чистой помощи (а хотелось бы, чтоб альтернативы) обычному кондиционированию, но у него есть ограничения, отчего диапазон его применения довольно невелик.

Это связано с тем, что лучшей эффективностью в этой связи обладает только белый цвет, который может похвастать наименьшим поглощением солнечного света. В рамках исследуемого вопроса это обеспечивает отличные характеристики, но имеет эстетический недостаток, поскольку повально окрашивать мир в белый ‒ всё-таки не хочется. Конечно, отражающие материалы других цветов тоже существуют, но их недостатком является относительно низкая эффективность.

Таким образом, разработка цветных материалов с радиационным охлаждением давно и основательно занимает научные умы, и команда профессора Кан ‒ не исключение.

Учёные исходили из того, что, как известно, низкое снижение температуры цветными материалами с радиационным охлаждением обязано использованию поглощения света лишь определённых длин волн для получения определённого же целевого цвета. С другой стороны, альтернативные цветные материалы в виде фотонных кристаллов, также отражающих свет, обладают отличными охлаждающими свойствами, но весьма ограничены в богатстве цветовой палитры.

Выбор между этими альтернативами был настоящей дилеммой для инженерии, и вот как раз её команда и решила, вдохновившись природными решениями на примере одного из подвидов бабочек Morpho, отличающихся замечательным синим цветом крыльев, которые, тем не менее, не содержат цветных пигментов. Вместо этого цвет приобретается за счёт фотонно-кристаллической структуры, покрывающей крылья: она позволяет отражать свет только синей длины волны и пропускает все другие волны.

Имитируя этот природный ход, исследователи изготовили спирально изогнутые жидкокристаллические фотонные кристаллы. В работе был использован очень распространённый материал LC242, являющийся жидкокристаллическим мономером, способный не только снижать температуру за счёт радиационного охлаждения, но и формировать цветные фотонные кристаллы. Это формирование обусловлено периодической структурой самого материала, позволяющей ему принимать форму спирали под воздействием подходящего индуктора.

Для придания изгиба этим цветным фотонным кристаллам, исследователи выбрали… центрифугу, обычно используемую для нанесения на плоские подложки тончайших однородных плёночных покрытий. В результате строго контролируемой процедуры вращения удалось добиться не только более ярких цветов, чем при обычном применении фотонных кристаллов, но и варьировать цветность материала в зависимости от угла изгибания ЖК-мономера.

Жидкие кристаллы LC 242 и хиральные легирующие добавки, диспергированные в органическом растворителе, капают на подложку, а затем наносятся тонким слоем с использованием спинового покрытия. После испарения растворителя методом УФ-отверждения изготавливаются спиральные жидкокристаллические фотонные кристаллы. Предоставлено: Корейский институт науки и технологий. Источник.

Новаторство в том, что центробежные силы, использованные для придания особой формы молекуле LC242, создают диффузно-доминирующую окраску, которая зависит не от шероховатости поверхности или расположения молекул (как в предшествующих методах), а от внутренней морфологии. Она делает жидкокристаллические мономеры полноценными холестериками ‒ жидкими кристаллами со спиральными молекулами, обладающими восприимчивостью к плоскополяризованному свету и за счёт различий закручивания в спираль очень выборочно отражающими падающий на них свет.

Такое поведение при генерации цвета позволило нанести изготовленный из холестериновых жидких кристаллов (CLC ‒ cholesteric liquid crystals) цветной охлаждающийся материал на тонкую металлическую плёнку зеркального слоя серебра и накрыть всё это прозрачным полимером полидиметилсилоксаном. Такая модификация обеспечивает коэффициент отражения солнца 94% и коэффициент тепловыделения 0,9. Следовательно, при солнечном излучении 1050 ± 10 Вт/м² устройство должно продемонстрировать охлаждающую способность в 19,5 Вт/ м².

Расчёты подтвердились. Команда выставила своё устройство, помещённое в прозрачную коробку, под солнечные лучи на крыше исследовательского центра. За 5 часов эксперимента средняя дневная температура составила 25 градусов. Воздух в контрольной коробке, не содержащей новый охладитель, прогрелся до 35,5°C, а вот экспериментальный элемент удерживал всего 32,4°C. Эти 3,1 градуса разницы могут сыграть довольно весомую роль в экономии электроэнергии, обеспечивающей работу сплит-систем. В результате солнечная энергия могла эффективно отражаться при сохранении цветов и характеристик охлаждения. 

Разноцветные буквы "KIST", изготовленные из разработанного материала, были сфотографированы оптической и инфракрасной камерами. Температура букв ниже, чем в окружающей среде. (Справа) Измерение изменения температуры в полдень между цветным охлаждающим материалом и коммерческой краской. Была достигнута более низкая температура на 30,8 ° C по сравнению с коммерческой краской. Источник.

Помимо зданий, нам, конечно, есть что покрасить, и самое первое, что приходит на ум как наиболее подверженное нагреванию под воздействием прямых солнечных лучей ‒ это металлические конструкции, а особенно ‒ автомобили. Так что, в ходе второго эксперимента, авторы сравнили эффект своего покрытия с применением обычной автомобильной краски того же цвета в полдень. Оказалось, что новое устройство радиационного охлаждения способно снизить температуру гипотетического авто аж на 30,8°C.

Что ж, можно сказать, что теперь практика радиационного охлаждения имеет все шансы обеспечить значительное охлаждение объектов даже в знойный день. Авторы работы надеются, что их CLC, состоящие из отборных ЖК-молекул, которые минимально поглощают солнечную энергию, но эффективно излучают тепло в ИК-диапазоне, будут служить превосходными цветными охладителями и займут подобающее место в инженерии и строительстве.

«Цветной жидкокристаллический материал с радиационным охлаждением, разработанный в этом исследовании, получен посредством недорогого и простого процесса нанесения покрытия методом центрифуги. Его можно сделать быстро, ‒ подчёркивает достоинства технологии профессор. ‒ Если крупномасштабная коммерциализация этой технологии будет успешной, в будущем она будет использоваться для охлаждения в очень разных областях, от электроники до автомобилестроения».

АРМК, по материалам Science X, Nate и ScienceDirect.