Нанопленки на основе структуры крыльев бабочек
Структура крыльев чешуекрылых долгое время изучалась и адаптировалась инженерами-оптиками для применения ее в различных областях, в том числе для защиты банкнот и фотоэлектрических панелей.
В рамках проекта Университета Шэньчжэня были разработаны нанопленки на основе структуры крыльев бабочек, способные обеспечить пассивное охлаждение и сохранение ярких цветов.
Особый интерес представляла взаимосвязь между светом, отраженным от тонкой пленки, воспринимаемым цветом и возможностью регулирования температуры, которая обеспечивается теми же оптическими параметрами.
«Очень много усилий затрачивается на охлаждение ярких объектов для снижения их энергопотребления», - отмечается в проекте. – «Однако, охлаждение ярких объектов ниже температуры окружающей среды при полном сохранении их цветовых свойств, таких как насыщенный цвет и большой угол обзора, остается проблемой».
В рамках проекта изучались крылья бабочек Морфо. Их способность создавать насыщенные цвета и большой диапазон углов обзора обусловлены многослойной наноструктурой крыла с неупорядоченными элементами и эффектами рассеяния на них.
Однако, те же структуры в крыльях бабочек могут также приводить к поглощению энергии и препятствовать любому естественному охлаждающему эффекту. В Шэньчжэне решили эту проблему путем использования отражающего слоя серебра, на который были нанесены слои наноструктурированных неупорядоченных компонентов.
«Ученые поместили шероховатое матовое стекло под многослойный материал, изготовленный из диоксида титана и диоксида алюминия», - прокомментировали в Университете Шэньчжэня. – «Затем они поместили все на слой серебра, который отражает весь свет, для предотвращения поглощения солнечной энергии и связанного с ним нагрева».
В ходе испытаний, структура, состоящая из многослойного материала, матового стекла и серебряного зеркала, была оптимизирована для полного отражения нежелательных длин волн желтого цвета при максимальном пропускании синего цвета. При этом сохранялся насыщенный яркий оттенок, как у бабочек Морфо.
Прошедший синий свет диффузно отражался от матового стекла и серебряного зеркала, а затем пропускался через многослойную структуру, тем самым давая высокую насыщенность.
Ученые создали синие, желтые и бесцветные пленки, которые разместили на различных поверхностях: на крыше здания, на автомобиле, на ткани, на телефоне. Данные с термопары и инфракрасных камер показали, что охлаждающие пленки были более чем на 15 градусов по Цельсию холоднее поверхностей, на которые они были помещены в зимнее время, и примерно на 35 градусов холоднее в летнее время.
Тот же эффект может быть достигнут путем замены серебренной пленки на алюминиевую, что позволит снизить стоимость и использовать такие методы изготовления, как электронно-лучевое испарение или магнетронное распыление.
«В зданиях большое количество энергии расходуется на охлаждение и вентиляцию, а использование кондиционера в электромобилях может сократить дальность поездки более чем на половину», - говорит Го Пинг Ван из Университета Шэньчжэня. – «Наши охлаждающие пленки могли бы способствовать повышению энергетической устойчивости и углеродной нейтральности. Их даже можно было бы использовать в текстильной промышленности для создания одежды, в которой было бы комфортно при высоких температурах».