Мимоза подсказала идею материала, способного к пассивному охлаждению и нагреванию

Глобальные изменения климата усиливают многие экстремальные погодные явления. Волны жары и холода перестали быть редкостью, приводя к болезненному росту стоимости энергии на кондиционирование и обогрев помещений. Снизить такие расходы помогают материалы для пассивного нагревания или охлаждения. В простейшем варианте это может быть белая краска, отражающая часть солнечных лучей. Другие покрытия, наоборот, рассеивают лишнюю энергию, отдавая ее в окружающую среду.

Совместить эти две возможности до сих пор не представлялось возможным, хотя в разные сезоны требуется то охлаждение, то согревание. Идею необычной структуры, которая способна одновременно к тому и другому, подсказала китайским ученым мимоза. Название этого растения недаром стало синонимом стыдливой недотроги: при прикосновении к листьям они сворачиваются. Жуцзюнь Ма (Rujun Ma) решили использовать такие же сворачивающиеся элементы, чтобы менять охлаждающее покрытие на согревающее — и обратно. Результаты этой работы представлены в статье, опубликованной в журнале PNAS.

Основой структуры стали элементы, меняющие форму. Они сложены из двух слоев: слоя прозрачного полимера, устойчивого к нагреванию и охлаждению, и слоя полимеров, которые при изменении температуры сжимаются или расширяются. Это позволяет элементам сворачиваться или разворачиваться в зависимости от температуры. Далее ученые добавили к ним слои, предназначенные для выполнения полезной задачи — поглощать или рассеивать энергию.

©Zhang et. al., 2022

В результате вся многослойная структура сворачивается на холоде, оставляя на поверхности темный обогревающий слой. А при увеличении температуры разворачивается, открывая все больше отражающего слоя, который поглощает видимое излучение и отдает его в инфракрасном диапазоне. Это позволяет эффективно охлаждаться и не нагревать при этом ни воздух, ни соседние участки, покрытые новым материалом-«мимозой», который такие фотоны не поглощает.

Разумеется, что разработка стала лишь первым шагом на пути к созданию полноценных промышленных решений. Однако уже сейчас полученный китайскими учеными прототип в «согревающем режиме» поглощает до 73 процентов энергии падающего солнечного света, а в «охлаждающем режиме» – всего 35 процентов. При этом структура перенесла 500 циклов сворачивания и разворачивания без каких-либо видимых повреждений и почти без расслоений. Возможно, что массовое появление таких покрытий ближе, чем кажется.