Porøse polymerbelægninger styrer lys og varme dynamisk

Bygninger bruger mere end 30% af deres energiforbrug til opvarmning, køling, og belysningssystemer. Passive designs som seje tagmalinger er gået langt mod at reducere dette forbrug, og dens indvirkning på miljø og klima, men de har en nøglebegrænsning - de er normalt statiske, og dermed ikke reagerer på daglige eller sæsonmæssige ændringer.

Columbia Engineering -forskere har udviklet porøse polymerbelægninger (PPC'er), der muliggør billige og skalerbare måder at kontrollere lys og varme i bygninger på. De udnyttede den optiske omskiftelighed af PPC'er i solbølgelængderne til at regulere solvarme og dagslys, og udvidede konceptet til termiske infrarøde bølgelængder for at modulere varme, der udstråles af objekter. Deres arbejde udgives den 21. oktober, 2019 af Joule .

"Vores arbejde viser, at ved at befugt PPC'er med almindelige væsker som alkohol eller vand, vi kan reversibelt skifte deres optiske transmittans i sol- og termiske bølgelængder, "siger Jyotirmoy Mandal, hovedforfatter af undersøgelsen og en tidligere ph.d. studerende i laboratoriet i Yuan Yang, adjunkt i materialevidenskab og teknik. "Ved at lægge sådanne PPC'er i hule plast- eller glaspaneler, vi kan lave bygningskonvolutter, der kan regulere indetemperaturer og lys. "

Teamets design ligner smarte vinduer, men med en højere optisk omskiftelighed, og er bygget ved hjælp af enklere, billige materialer, der kunne gøre det implementerbart i stor skala. Det bygger på tidligere arbejde, der demonstrerede en malinglignende fluorpolymerbelægning med nano-til-mikroskala luftrum, der kan køle bygninger ned. Belægningen var statisk, imidlertid. "På steder som New York, der ser varme somre og hårde vintre, designs, der kan skifte mellem varme- og køletilstande, kan være mere nyttige, "siger Yang.

Teamet begyndte deres arbejde med optisk at skifte PPC'er seriøst, da Mandal bemærkede, at et par dråber alkohol spildt på en hvid fluorpolymer PPC gjorde det gennemsigtigt. "Det, vi så, var den samme mekanisme, der får papir til at blive gennemsigtigt, når det vædes, men på et næsten optimalt niveau, "siger Mandal." Fysikken i dette er tidligere blevet undersøgt, men den drastiske omskiftning, vi så, fik os til at undersøge denne særlige sag, og hvordan det kan bruges. "

Et porøst materiale som papir fremstår hvidt, fordi luften i porerne har et andet brydningsindeks (~ 1) end det for det porøse materiale (~ 1,5), får dem til at sprede og reflektere lys. Ved fugtning af vand, som har et brydningsindeks (~ 1,33) tættere på materialet, spredning reduceres og mere lys går igennem, gør det gennemsigtigt. Transmission øges, når brydningsindekserne er tæt matchede. Forskerne opdagede, at deres fluorpolymer (~ 1,4) og typiske alkoholer (~ 1,38) har meget tætte brydningsindekser.

"Så når den blev fugtet, den porøse polymer bliver optisk homogen, "siger Yang." Lys er ikke længere spredt, og passerer igennem - meget som det ville gennem massivt glas - den porøse polymer bliver gennemsigtig. "

På grund af den næsten perfekte brydningsindeksmatchning af alkoholer og fluorpolymeren, teamet kunne ændre soltransmissionen af ​​deres PPC'er med ~ 74%; for den synlige del af sollys, ændringen var ~ 80%. Selvom skiftet er langsommere end i typiske smarte vinduer, transmittansændringerne er betydeligt højere, gør PPC'er attraktive til at kontrollere dagslys i bygninger.

Forskerne undersøgte også, hvordan optisk kobling kunne bruges til termoregulering. "Vi forestillede os tage, der er hvide om sommeren for at holde bygninger kølige, og blive sorte om vinteren for at opvarme dem, "siger Yang, "Dette kan reducere omkostninger til klimaanlæg og varme i bygninger betydeligt".

For at teste deres idé, forskerne lagde paneler indeholdende PPC'er på legetøjshuse med sorte tage. Et panel var tørt og reflekterende, mens den anden var våd og gennemsigtig, viser det sorte tag nedenunder. Under sollys en sommermiddag, det hvide tag blev køligere end omgivelsesluften med ~ 3C/5F, mens den sorte blev meget varmere, ved ~ 21C/38F.

Teamet undersøgte også skift i de termiske infrarøde bølgelængder, og observerede en ny skifte mellem "ishus" til "drivhus" -tilstande ved at befugtede infrarød-transparente polyethylen-PPC'er. Når det er tørt, de porøse polyethylen PPC'er reflekterer sollys, men transmitterer udstrålet varme, opfører sig som et "ishus". Befugtning af PPC'er får dem til at overføre sollys, og, fordi typiske væsker absorberer termiske bølgelængder, blokere udstrålet varme, som et drivhus. Fordi de modulerer både sol- og termisk stråling, de kan regulere varmen i løbet af både dag og nat.

"Selvom det simpelthen er opnået, overgangen er ganske usædvanlig i forhold til at skifte til andre optiske systemer, og det er måske første gang, det er blevet rapporteret, «siger Mandal.

Yangs team testede også andre potentielle applikationer, såsom termisk camouflage og maling, der reagerer på regn. Sidstnævnte kunne bruges til at køle eller opvarme bygninger i middelhavsklimazoner og den californiske kyst, som ser tørre somre og regnfulde vintre. Forskerne ser nu på måder at skalere deres designs på, og undersøge mulighederne for at implementere og teste dem i stor skala.

"I betragtning af skalerbarheden og ydeevnen af ​​de PPC-baserede designs, vi er håbefulde om, at deres ansøgninger vil blive udbredt, "siger Yang, "i særdeleshed, vi er begejstrede for deres potentielle anvendelser på bygning af facader ".

Mandal, der nu laver postdoktoral forskning som Schmidt Science Fellow ved University of California, Los Angeles, tilføjer, "Vi valgte bevidst almindeligt tilgængelige polymerer og enkle designs til vores arbejde. Målet er at gøre dem lokalt fremstillbare og implementerbare i udviklingslande, hvor de ville have størst indflydelse. "

Undersøgelsen har titlen "Porøse polymerer med omskiftelig optisk transmittans til optisk og termisk regulering."