Gli edifici destinano più del 30% del loro consumo energetico al riscaldamento, raffreddamento, e sistemi di illuminazione. I design passivi come le pitture per tetti cool hanno fatto molto per ridurre questo utilizzo, e il suo impatto sull'ambiente e sul clima, ma hanno una limitazione fondamentale:di solito sono statici, e quindi non risponde ai cambiamenti giornalieri o stagionali.

I ricercatori della Columbia Engineering hanno sviluppato rivestimenti polimerici porosi (PPC) che consentono modi economici e scalabili per controllare la luce e il calore negli edifici. Hanno sfruttato la commutabilità ottica dei PPC nelle lunghezze d'onda solari per regolare il riscaldamento solare e l'illuminazione diurna, e ha esteso il concetto alle lunghezze d'onda dell'infrarosso termico per modulare il calore irradiato dagli oggetti. Il loro lavoro è pubblicato il 21 ottobre, 2019 da Joule .

"Il nostro lavoro mostra che bagnando i PPC con liquidi comuni come alcol o acqua, possiamo commutare reversibilmente la loro trasmittanza ottica nelle lunghezze d'onda solare e termica, "dice Jyotirmoy Mandal, autore principale dello studio e un ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali. "Mettendo tali PPC in pannelli cavi di plastica o vetro, possiamo realizzare involucri edilizi in grado di regolare la temperatura e la luce interne."

Il design del team è simile alle finestre intelligenti, ma con una maggiore commutabilità ottica, ed è costruito utilizzando più semplice, materiali economici che potrebbero renderlo implementabile su larga scala. Si basa su lavori precedenti che hanno dimostrato un rivestimento in fluoropolimero simile alla vernice con vuoti d'aria da nano a microscala che possono raffreddare gli edifici. Quel rivestimento era statico, però. "In posti come New York, che vede calde estati e rigidi inverni, i progetti che possono passare dalla modalità di riscaldamento a quella di raffreddamento possono essere più utili, "dice Yang.

Il team ha iniziato a lavorare sulla commutazione ottica dei PPC in modo fortuito, quando Mandal ha notato che alcune gocce di alcol versate su un PPC di fluoropolimero bianco lo hanno reso trasparente. "Ciò che abbiamo visto è lo stesso meccanismo che fa diventare la carta traslucida quando è bagnata, ma a un livello quasi ottimale, " dice Mandal. "La fisica di questo è stata precedentemente esplorata, ma il drastico cambiamento che abbiamo visto ci ha portato a esplorare questo caso particolare, e come può essere utilizzato."

Un materiale poroso come la carta appare bianco perché l'aria nei pori ha un indice di rifrazione diverso (~1) rispetto a quello del materiale poroso (~1,5), facendoli disperdere e riflettere la luce. Quando è bagnato dall'acqua, che ha un indice di rifrazione (~1.33) più vicino al materiale, la dispersione è ridotta e passa più luce, rendendolo traslucido. La trasmissione aumenta quando gli indici di rifrazione sono strettamente abbinati. I ricercatori hanno scoperto che il loro fluoropolimero (~1,4) e gli alcoli tipici (~1,38) hanno indici di rifrazione molto vicini.

"Quindi quando è bagnato, il polimero poroso diventa otticamente omogeneo, " dice Yang. "La luce non è più dispersa, e passa attraverso, proprio come farebbe attraverso il vetro solido, il polimero poroso diventa trasparente."

A causa della corrispondenza quasi perfetta dell'indice di rifrazione degli alcoli e del fluoropolimero, il team potrebbe modificare la trasmittanza solare dei propri PPC di circa il 74%; per la parte visibile della luce solare, la variazione è stata di ~80%. Sebbene il passaggio sia più lento rispetto alle tipiche finestre intelligenti, le variazioni di trasmittanza sono notevolmente più elevate, rendendo i PPC attraenti per il controllo della luce diurna negli edifici.

I ricercatori hanno anche studiato come la commutazione ottica potrebbe essere utilizzata per la termoregolazione. "Abbiamo immaginato tetti bianchi durante l'estate per mantenere freschi gli edifici, e annerirsi d'inverno per riscaldarli, "dice Yang, "Questo può ridurre notevolmente i costi di condizionamento e riscaldamento degli edifici".

Per testare la loro idea, i ricercatori hanno messo pannelli contenenti PPC su case giocattolo con tetti neri. Un pannello era asciutto e riflettente, mentre l'altro era bagnato e traslucido, che mostra il tetto nero sotto. Sotto la luce del sole in un mezzogiorno d'estate, il tetto bianco è diventato più fresco dell'aria ambiente di ~ 3C/5F, mentre quello nero diventava molto più caldo, di ~21C/38F.

Il team ha anche esplorato la commutazione nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso termico, e ha osservato un nuovo passaggio da uno stato di "ghiacciaia" a uno stato di "serra" bagnando PPC di polietilene trasparenti all'infrarosso. Quando è asciutto, i PPC in polietilene poroso riflettono la luce solare ma trasmettono il calore irradiato, comportandosi come una "ghiacciaia". Bagnare i PPC li fa trasmettere la luce solare, e, perché i liquidi tipici assorbono lunghezze d'onda termiche, bloccare il calore irradiato, come una serra. Poiché modulano sia la radiazione solare che termica, possono regolare il calore sia di giorno che di notte.

"Anche se ottenuto semplicemente, la transizione è abbastanza insolita rispetto alla commutazione in altri sistemi ottici, ed è forse la prima volta che viene segnalato, "dice Mandal.

Il team di Yang ha anche testato altre potenziali applicazioni, come il camouflage termico e le vernici che rispondono alla pioggia. Quest'ultimo potrebbe essere utilizzato per raffreddare o riscaldare edifici nelle zone a clima mediterraneo e sulla costa californiana, che vedono estati secche e inverni piovosi. I ricercatori stanno ora cercando modi per ampliare i loro progetti, ed esplorare le opportunità per implementarli e testarli su larga scala.

"Data la scalabilità e le prestazioni dei progetti basati su PPC, siamo fiduciosi che le loro applicazioni saranno diffuse, "dice Yang, "in particolare, siamo entusiasti delle loro potenziali applicazioni sulle facciate degli edifici".

Mandal, che ora sta facendo ricerca post-dottorato come Schmidt Science Fellow presso l'Università della California, Los Angeles, aggiunge, "Abbiamo scelto deliberatamente polimeri comunemente disponibili e design semplici per il nostro lavoro. L'obiettivo è renderli fabbricabili localmente e implementabili nei paesi in via di sviluppo, dove avrebbero il maggiore impatto."

Lo studio è intitolato "Porous Polymers with Switchable Optical Transmittance for Optical and Thermal Regulation".