Forskere tuner materialers farve og termiske egenskaber separat

Farven på et materiale kan ofte fortælle dig noget om, hvordan det håndterer varme. Tænk på at bære en sort skjorte på en svulmende sommerdag - jo mørkere pigment, jo varmere vil du sandsynligvis føle dig. Ligeledes, jo mere gennemsigtigt et glasvindue, jo mere varme kan den slippe igennem. Et materiales reaktioner på synlig og infrarød stråling er ofte naturligt forbundet.

Nu har MIT-ingeniører lavet prøver af stærke, vævslignende polymermateriale, farve- og varmeegenskaberne, som de kan skræddersy uafhængigt af hinanden. For eksempel, de har fremstillet prøver af meget tynd sort film designet til at reflektere varme og forblive kølig. De har også lavet film, der viser en regnbue af andre farver, hver lavet til at reflektere eller absorbere infrarød stråling, uanset hvordan de reagerer på synligt lys.

Forskerne kan specifikt tune farve- og varmeegenskaberne af dette nye materiale til at passe til kravene til en lang række vidtgående anvendelser, herunder farverige, varmereflekterende bygningsfacader, vinduer, og tage; lysabsorberende, varmeafledende dæksler til solpaneler; og letvægtsstof til tøj, overtøj, telte, og rygsække – alle designet til enten at fange eller reflektere varme, afhængigt af de miljøer, de ville blive brugt i.

"Med dette materiale, alt kunne se mere farverigt ud, for så ville du ikke være bekymret for, hvad farve gør ved den termiske balance af, sige, en bygning, eller et vindue, eller dit tøj, " siger Svetlana Boriskina, en forsker i MIT's Department of Mechanical Engineering.

Boriskina er forfatter til en undersøgelse, der i dag vises i tidsskriftet Optiske materialer Express , skitserer den nye materialetekniske teknik. Hendes MIT medforfattere er Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, og Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i energiteknik, sammen med Yassine Ait El Aoud og Richard Osgood III, begge af Combat Capabilities Development Command Soldier Center, i Natick, Massachusetts.

Polymer ledere

Til dette arbejde, Boriskina blev inspireret af de livlige farver i farvede glasvinduer, som i århundreder er blevet fremstillet ved at tilsætte partikler af metaller og andre naturlige pigmenter til glas.

"Imidlertid, på trods af fremragende visuel gennemsigtighed, glas har mange begrænsninger som materiale, " bemærker Boriskina. "Den er omfangsrig, ufleksibel, skrøbelig, spreder ikke varmen godt, og er naturligvis ikke egnet til bærbare applikationer."

Hun siger, at selvom det er relativt enkelt at skræddersy farven på glas, materialets reaktion på varme er svær at tune. For eksempel, glaspaneler reflekterer stuetemperaturvarme og fanger den inde i rummet. Desuden, hvis farvet glas udsættes for indkommende sollys fra en bestemt retning, varmen fra solen kan skabe et hotspot, som er svær at sprede i glas. Hvis et materiale som glas ikke kan lede eller aflede varme godt, at varme kan beskadige materialet.

Det samme kan siges om de fleste plastik, som kan konstrueres i enhver farve, men for det meste er termiske absorbere og isolatorer, koncentrere og fange varmen i stedet for at reflektere den væk.

I de sidste mange år, Chens laboratorium har undersøgt måder at manipulere fleksible, lette polymermaterialer til at lede, i stedet for at isolere, varme, mest til applikationer inden for elektronik. I tidligere arbejde, forskerne fandt ud af, at ved omhyggeligt at strække polymerer som polyethylen, de kunne ændre materialets indre struktur på en måde, der også ændrede dets varmeledende egenskaber.

Boriskina mente, at denne teknik kunne være nyttig ikke kun til fremstilling af polymerbaseret elektronik, men også inden for arkitektur og beklædning. Hun tilpassede denne polymerfremstillingsteknik, tilføje et twist af farve.

"Det er meget svært at udvikle et nyt materiale med alle disse forskellige egenskaber i det, " siger hun. "Normalt hvis du tuner en ejendom, den anden bliver ødelagt. Her, vi startede med en ejendom, der blev opdaget i denne gruppe, og så tilføjede vi en ny ejendom kreativt. Alt sammen fungerer det som et multifunktionelt materiale."

Hotspots strakte sig væk

For at fremstille de farverige film, holdet startede med en blanding af polyethylenpulver og et kemisk opløsningsmiddel, hvortil de tilføjede visse nanopartikler for at give filmen en ønsket farve. For eksempel, at lave sort film, de tilføjede partikler af silicium; anden rød, blå, grøn, og gule film blev fremstillet med tilsætning af forskellige kommercielle farvestoffer.

Holdet fastgjorde derefter hver film indlejret i nanopartikler på et rulle-til-rulle-apparat, som de varmede op for at blødgøre filmen, gør det mere bøjeligt, da forskerne omhyggeligt strakte materialet.

Mens de strakte hver film, de fandt, ikke overraskende, at materialet blev mere gennemsigtigt. De observerede også, at polyethylens mikroskopiske struktur ændrede sig, efterhånden som den strakte sig. Hvor materialets polymerkæder normalt ligner et uorganiseret virvar, ligner kogt spaghetti, når de strækkes, retter disse kæder sig ud, danner parallelle fibre.

Da forskerne placerede hver prøve under en solsimulator - en lampe, der efterligner solens synlige og termiske stråling - fandt de, at en film, der var mere strakt, jo mere varme var den i stand til at sprede. Den lange, parallelle polymerkæder gav i det væsentlige en direkte rute, langs hvilken varme kunne bevæge sig. Langs disse kæder, varme, i form af fononer, kunne så skyde væk fra sin kilde, på en "ballistisk" måde, undgå dannelsen af ​​hotspots.

Forskerne fandt også ud af, at jo mindre de strakte materialet, jo mere isolerende det var, fanger varme, og dannelse af hotspots i polymerfiltre.

Ved at kontrollere i hvilken grad materialet strækkes, Boriskina kunne kontrollere polyethylens varmeledende egenskaber, uanset materialets farve. Hun valgte også omhyggeligt nanopartiklerne, ikke kun ved deres visuelle farve, men også ved deres interaktioner med usynlig strålingsvarme. Hun siger, at forskere potentielt kan bruge denne teknik til at producere tynde, fleksibel, farverige polymerfilm, der kan lede eller isolere varme, afhængig af applikationen.

Fremadrettet, hun planlægger at lancere et websted, der tilbyder algoritmer til at beregne et materiales farve og termiske egenskaber, baseret på dens dimensioner og indre struktur.

Ud over film, hendes gruppe arbejder nu på at fremstille nanopartikel-indlejret polyethylentråd, som kan sys sammen for at danne letvægtstøj, designet til enten at være isolerende, eller afkøling.

"Dette er i filmfaktor nu, men vi arbejder med det i fibre og stoffer, Boriskina siger. "Polyethylen produceres i milliarder af tons og kan genbruges, også. Jeg kan ikke se nogen væsentlige hindringer for storproduktion."