Nova generacija “pametnih” materijala više nije rezervirana za znanstvenu fantastiku. Inspirirani rješenjima koja je priroda usavršavala milijunima godina, znanstvenici razvijaju tehnologije koje se same prilagođavaju uvjetima okoliša. Jedan od najnovijih primjera dolazi iz svijeta pingvina, ptica koje bez problema podnose ekstremne temperaturne razlike zahvaljujući iznimno učinkovitoj regulaciji topline. Upravo je njihova biologija nadahnula razvoj inovativnog materijala koji se može prebacivati između grijanja i hlađenja, blokirati ili propuštati mikrovalove te pritom odbijati vodu i led. Stručnjaci vjeruju da bi ova tehnologija u budućnosti mogla pronaći primjenu u zgradama, vozilima i komunikacijskim sustavima, pridonoseći većoj energetskoj učinkovitosti i manjoj potrošnji energije.
Znate onaj osjećaj kada se za snježni dan odjenete u nekoliko slojeva odjeće, a zatim čim uđete u zagrijani ured poželite sve skinuti? Pingvini taj problem nemaju. Bez obzira na to vladaju li ledeni uvjeti ili sunce nemilosrdno prži, oni uspijevaju održavati idealnu tjelesnu temperaturu. Upravo su ti nespretni, ali fascinantni majstori upravljanja toplinom poslužili kao inspiracija znanstvenicima koji su razvili novi materijal sposoban pasivno se prebacivati između režima grijanja i hlađenja.
Najljepši hrvatski domovi, bazeni iz snova i priče koje inspiriraju: Ljetni broj D&D-a je u prodaji!
Materijal, koji je razvio zajednički tim istraživača s Tehnološkog instituta Harbin, Sveučilišta Henan Normal i laboratorija Suzhou, može apsorbirati sunčevu svjetlost kako bi se zagrijao, reflektirati sunčeve zrake kako bi ostao hladan, a ovisno o temperaturi može i blokirati ili propuštati mikrovalove. Osim toga, odbija vodu i led. Kako prenosi New Atlas, riječ je o jednom od najzanimljivijih primjera spajanja upravljanja toplinom i elektromagnetskih svojstava u jedinstvenom materijalu.
Nagib Zemljine osi i njezina putanja oko Sunca stvaraju godišnja doba s velikim temperaturnim razlikama. U mnogim dijelovima svijeta ista lokacija tijekom godine prolazi kroz ekstremne ljetne vrućine i oštre zimske hladnoće. Kako bismo se lakše nosili s tim promjenama, razvijene su brojne tehnologije upravljanja toplinom. Među pasivnim rješenjima nalaze se specijalizirani premazi i materijali koji se koriste na vozilima i infrastrukturi kako bi apsorbirali toplinu ili spriječili njezin prodor.
Problem je u tome što temperature nisu stalne, dok je većina postojećih materijala optimizirana samo za jedan način rada. Površina koja izvrsno odbija toplinu tijekom ljeta može zimi postati vrlo neučinkovita jer reflektira i dragocjenu sunčevu toplinu koja bi mogla zagrijavati objekt.
Kao da izazovi upravljanja toplinom nisu dovoljni, suvremeni tehnološki razvoj dodatno je zakomplicirao situaciju. Danas živimo okruženi antenama, bežičnim komunikacijskim sustavima, radarima, senzorima, satelitima, dronovima i sve gušćim elektromagnetskim okruženjem.
Nažalost, upravljanje toplinom i elektromagnetska kontrola često djeluju suprotno jedno drugome. Materijali namijenjeni hlađenju projektirani su tako da reflektiraju sunčevu svjetlost i sprječavaju apsorpciju energije. Materijali za zaštitu od mikrovalova, s druge strane, uglavnom se oslanjaju na električnu vodljivost i snažne elektromagnetske interakcije, svojstva koja istodobno mogu povećati apsorpciju topline.
Upravo je zato razviti jedan materijal koji bi uspješno objedinio obje funkcije, bez kompromisa u njihovoj učinkovitosti, predstavljalo iznimno zahtjevan zadatak. Inženjeri su tijekom godina razvili izvrsne termalne premaze za grijanje ili hlađenje te vrlo učinkovite materijale za elektromagnetsku zaštitu. No materijal koji može dinamički prelaziti između grijanja i hlađenja, a pritom mijenjati način interakcije s mikrovalovima, donedavno je pripadao području znanstvene fantastike.
Stara indijska metoda kako možete rashladiti dom bez klima uređaja ili ventilatora
Pogledajte video!
Istraživači su zato razvili film nazvan “Janus”, prema rimskom bogu s dva lica, koji upravo to omogućuje. U središtu njegova dizajna nalazi se spoj vanadijev dioksid (VO₂), neobičan materijal poznat po svojim iznimnim svojstvima.
Na nižim temperaturama VO₂ se ponaša kao izolator. Međutim, kada se zagrije na približno 68 °C, naglo prelazi u znatno vodljivije, metalno stanje. Tijekom tog prijelaza njegov električni otpor smanjuje se za čak četiri reda veličine, odnosno približno 10 000 puta. Upravo ta dramatična promjena omogućuje filmu dinamičku kontrolu mikrovalova.
Kako bi izradili novi materijal, istraživači su VO₂ ugradili u mikroskopske strukture nalik vlaknima unutar fleksibilnog polimernog sloja. Jedna strana filma funkcionira kao “grijaća” površina te apsorbira čak oko 94,5 posto dolazne sunčeve energije, omogućujući vrlo brzo zagrijavanje pod sunčevim zračenjem.
U laboratorijskim ispitivanjima površina je dosegnula temperaturu od približno 73 °C, odnosno oko 52 °C iznad sobne temperature. Tijekom testiranja na otvorenom izmjerene su još više vrijednosti, oko 87 °C. Kako se VO₂ zagrijava i prelazi u svoje vodljivo stanje, ugrađene mikroskopske strukture stvaraju vodljive putove kroz materijal, potpuno mijenjajući način na koji film reagira na mikrovalove.
Na sobnoj temperaturi mikrovalni signali prolaze kroz film uz vrlo male gubitke. Nakon zagrijavanja materijal praktički mijenja način rada te počinje snažno apsorbirati i reflektirati mikrovalove. Istraživači su demonstrirali širokopojasnu modulaciju mikrovalova u frekvencijskom rasponu od 8,2 do 40 GHz, obuhvaćajući nekoliko ključnih radarskih i komunikacijskih frekvencijskih pojaseva.
U X-pojasu, koji se široko koristi u radarskim i satelitskim komunikacijama, učinak je bio posebno impresivan. Propusnost mikrovalova pala je s 83,6 posto na samo 0,06 posto nakon zagrijavanja, dok je učinkovitost elektromagnetske zaštite premašila 30 dB, znatno iznad praktičnih standarda za blokiranje elektromagnetskih smetnji. Kako bi zorno prikazali djelovanje materijala, istraživači su demonstrirali Bluetooth vezu koja je pri nižim temperaturama normalno funkcionirala, a nakon zagrijavanja materijala potpuno se prekinula.
‘Nikad mi nije prevruće zahvaljujući jednom predmetu koji me hladi tijekom vrućih dana i noći‘
No to je tek jedna strana ovog inovativnog filma.
Suprotna strana dizajnirana je za potpuno suprotnu funkciju – hlađenje. Taj sloj koristi čestice silicija i poroznu strukturu za raspršivanje i reflektiranje sunčeve svjetlosti, dok istodobno vrlo učinkovito emitira toplinsku energiju u srednjem infracrvenom spektru, području kroz koje toplina može izlaziti u atmosferu.
Strana za hlađenje reflektira više od 90 posto dolazne sunčeve svjetlosti te postiže emisivnost srednjeg infracrvenog spektra od čak 97,1 posto. U ispitivanjima na otvorenom održavala je temperaturu između 4 i 12 °C nižom od temperature okoliša. Drugim riječima, ista folija može funkcionirati kao učinkovit solarni grijač s jedne strane i kao pasivni radijacijski sustav hlađenja s druge.
Inspiracija pingvinima proizlazi iz načina na koji ove životinje reguliraju toplinu pomoću slojevitih struktura, usmjerene izolacije, vodootpornosti i prilagodbe okolišu. Pingvini su, zapravo, vrhunski prirodni inženjeri upravljanja toplinom skriveni ispod slojeva perja. Novi film preuzima još jednu njihovu korisnu osobinu – otpornost na vodu.
Obje strane materijala superhidrofobne su, što znači da se kapljice vode skupljaju u kuglice i lako otkotrljaju s površine umjesto da se po njoj razlijevaju. Osim što površinu održava čistom, ta karakteristika materijalu daje i svojstva protiv zaleđivanja te ubrzava odmrzavanje.
Tijekom ispitivanja zamrzavanje je bilo odgođeno za čak 812 sekundi. Čak i pri relativno slabom sunčevom zračenju i temperaturama oko -6 °C, nakupljeni led otopio se za približno 17,4 minute, potvrđujući potencijal ovog materijala za primjenu u građevinarstvu, prometu, komunikacijskoj tehnologiji i drugim područjima u kojima je učinkovita kontrola topline od ključne važnosti.
Studija je objavljena u časopisu Advanced Functional Materials.
Za sudjelovanje u komentarima je potrebna prijava, odnosno registracija ako još nemaš korisnički profil....