Il colore di un materiale spesso può dirti qualcosa su come gestisce il calore. Pensa di indossare una camicia nera in una afosa giornata estiva:più scuro è il pigmento, più caldo ti sentirai. Allo stesso modo, più trasparente è una finestra di vetro, più calore riesce a far passare. Le risposte di un materiale alla radiazione visibile e infrarossa sono spesso legate naturalmente.

Ora gli ingegneri del MIT hanno realizzato campioni di forti, materiale polimerico simile al tessuto, il colore e le proprietà termiche di cui possono personalizzare indipendentemente l'uno dall'altro. Ad esempio, hanno fabbricato campioni di pellicola nera molto sottile progettati per riflettere il calore e rimanere freschi. Hanno anche realizzato film che mostrano un arcobaleno di altri colori, ciascuno realizzato per riflettere o assorbire le radiazioni infrarosse indipendentemente dal modo in cui rispondono alla luce visibile.

I ricercatori possono mettere a punto in modo specifico le proprietà cromatiche e termiche di questo nuovo materiale per soddisfare i requisiti di una serie di applicazioni ad ampio raggio, compreso colorato, facciate di edifici termoriflettenti, finestre, e tetti; assorbimento della luce, coperture termodissipanti per pannelli solari; e tessuti leggeri per abbigliamento, capispalla, tende, e zaini, tutti progettati per intrappolare o riflettere il calore, a seconda degli ambienti in cui verrebbero utilizzati.

"Con questo materiale, tutto potrebbe sembrare più colorato, perché allora non ti preoccuperesti di che effetto ha il colore sull'equilibrio termico di, dire, un edificio, o una finestra, o i tuoi vestiti, "dice Svetlana Boriskina, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

Boriskina è autrice di uno studio apparso oggi sulla rivista Materiali ottici Express , delineando la nuova tecnica di ingegneria dei materiali. I suoi coautori del MIT sono Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, e Gang Chen, il professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg, insieme a Yassine Ait El Aoud e Richard Osgood III, sia del Combat Capabilities Development Command Soldier Center, a Natic, Massachusetts.

Conduttori polimerici

Per questo lavoro, Boriskina si è ispirata ai colori vivaci delle vetrate, che per secoli sono stati realizzati aggiungendo al vetro particelle di metalli e altri pigmenti naturali.

"Però, pur fornendo un'eccellente trasparenza visiva, il vetro ha molti limiti come materiale, " nota Boriskina. "È ingombrante, inflessibile, fragile, non diffonde bene il calore, e ovviamente non è adatto per applicazioni indossabili."

Dice che mentre è relativamente semplice personalizzare il colore del vetro, la risposta del materiale al calore è difficile da regolare. Ad esempio, i pannelli di vetro riflettono il calore a temperatura ambiente e lo intrappolano all'interno della stanza. Per di più, se il vetro colorato è esposto alla luce solare proveniente da una particolare direzione, il calore del sole può creare un hotspot, che è difficile da dissipare nel vetro. Se un materiale come il vetro non può condurre o dissipare bene il calore, che il calore potrebbe danneggiare il materiale.

Lo stesso si può dire per la maggior parte delle materie plastiche, che possono essere ingegnerizzati in qualsiasi colore ma per la maggior parte sono termoassorbenti e isolanti, concentrare e intrappolare il calore piuttosto che rifletterlo via.

Negli ultimi anni, Il laboratorio di Chen ha cercato modi per manipolare la flessibilità, materiali polimerici leggeri da condurre, piuttosto che isolare, calore, principalmente per applicazioni in elettronica. Nei lavori precedenti, i ricercatori hanno scoperto che allungando con cura polimeri come il polietilene, potrebbero cambiare la struttura interna del materiale in un modo che ha anche cambiato le sue proprietà di conduzione del calore.

Boriskina pensava che questa tecnica potesse essere utile non solo per fabbricare elettronica a base di polimeri, ma anche nell'architettura e nell'abbigliamento. Ha adattato questa tecnica di fabbricazione dei polimeri, aggiungendo un tocco di colore.

"È molto difficile sviluppare un nuovo materiale con tutte queste diverse proprietà, " dice. "Di solito se si regola una proprietà, l'altro viene distrutto. Qui, abbiamo iniziato con una proprietà che è stata scoperta in questo gruppo, e poi abbiamo aggiunto una nuova proprietà in modo creativo. Nel complesso funziona come un materiale multifunzionale".

Gli hotspot si sono allungati

Per fabbricare le pellicole colorate, il team ha iniziato con una miscela di polvere di polietilene e un solvente chimico, a cui hanno aggiunto alcune nanoparticelle per conferire al film il colore desiderato. Ad esempio, per fare un film nero, hanno aggiunto particelle di silicio; altro rosso, blu, verde, e film gialli sono stati realizzati con l'aggiunta di vari coloranti commerciali.

Il team ha quindi attaccato ogni film incorporato con nanoparticelle su un apparato roll-to-roll, che hanno scaldato per ammorbidire la pellicola, rendendolo più flessibile poiché i ricercatori hanno allungato con cura il materiale.

Mentre allungavano ogni film, hanno trovato, non sorprende, che il materiale diventasse più trasparente. Hanno anche osservato che la struttura microscopica del polietilene cambiava mentre si allungava. Dove normalmente le catene polimeriche del materiale assomigliano a un groviglio disorganizzato, simile agli spaghetti cotti, quando tese queste catene si raddrizzano, formare fibre parallele.

Quando i ricercatori hanno posizionato ogni campione sotto un simulatore solare, una lampada che imita la radiazione visibile e termica del sole, hanno scoperto che il film più teso, più calore è stato in grado di dissipare. Il lungo, le catene polimeriche parallele fornivano essenzialmente un percorso diretto lungo il quale il calore poteva viaggiare. Lungo queste catene, calore, sotto forma di fononi, potrebbe quindi sparare lontano dalla sua fonte, in modo "balistico", evitando la formazione di hotspot.

I ricercatori hanno anche scoperto che meno allungavano il materiale, più era isolante, intrappolare il calore, e la formazione di punti caldi all'interno di grovigli polimerici.

Controllando il grado di stiramento del materiale, Boriskina potrebbe controllare le proprietà di conduzione del calore del polietilene, indipendentemente dal colore del materiale. Ha anche scelto con cura le nanoparticelle, non solo per il loro colore visivo, ma anche dalle loro interazioni con il calore radiativo invisibile. Dice che i ricercatori possono potenzialmente utilizzare questa tecnica per produrre sottili, flessibile, film polimerici colorati, che possono condurre o isolare il calore, a seconda dell'applicazione.

Andando avanti, ha in programma di lanciare un sito web che offra algoritmi per calcolare il colore e le proprietà termiche di un materiale, in base alle dimensioni e alla struttura interna.

Oltre ai film, il suo gruppo sta ora lavorando alla fabbricazione di filo di polietilene con nanoparticelle, che possono essere cuciti insieme per formare abbigliamento leggero, progettato per essere isolante, o raffreddamento.

"Questo è nel fattore film ora, ma lo stiamo trasformando in fibre e tessuti, " dice Boriskina. "Il polietilene è prodotto da miliardi di tonnellate e potrebbe essere riciclato, pure. Non vedo impedimenti significativi alla produzione su larga scala".