Исследователи из Университета Райса разработали умный материал, который регулирует свою прозрачность при изменении температуры, превосходя аналогичные материалы по долговечности, прозрачности и отзывчивости. Новая полимерная смесь может значительно повысить энергоэффективность охлаждения внутренних помещений, согласно новому исследованию, опубликованному в Joule.
Охлаждение может быть вопросом жизни и смерти, но кондиционирование воздуха — когда и если оно доступно — уже составляет 7% мирового потребления энергии и 3% выбросов углерода. Поскольку температуры достигают рекордных максимумов, а волны тепла становятся все более частыми во всем мире, потребность в более эффективных способах поддержания температуры в помещении также стала более насущной.
Один из способов смягчить проблему — покрыть окна материалами, которые не пропускают тепло, но при этом пропускают свет. Одним из таких классов материалов являются термохромные, однако существующие разновидности все еще слишком дороги и недолговечны, чтобы сделать их приемлемым выбором для использования в зданиях, транспортных средствах и везде, где это необходимо.
Новая система соленой полимерной смеси, разработанная инженерами Райса в Лаборатории наноматериалов под руководством Пуликеля Аджаяна, позволяет преодолеть эти проблемы, потенциально делая возможным широкомасштабное внедрение термохромных материалов в качестве энергоэффективной технологии охлаждения внутренних помещений.
«Представьте себе окно, которое становится менее прозрачным, когда день становится теплее, сохраняя прохладу в помещениях, не потребляя энергию», — сказал Шрихари Саджу, докторант по материаловедению и наноинженерии в Rice, который является одним из ведущих авторов исследования. «Наша формула использует как органические, так и неорганические компоненты для преодоления ограничений существующих термохромных материалов, таких как короткий срок службы и высокая стоимость.
«Более того, термическая реакция этого материала хорошо соответствует реальным экологическим требованиям. Мы считаем, что умные окна, изготовленные из этого материала, могут значительно сократить потребление энергии в зданиях, оказав ощутимое влияние как на затраты на электроэнергию, так и на углеродный след».
Исследователи объединили экспериментальные методы с вычислительным моделированием, чтобы понять поведение материала в различных экологических и архитектурных условиях. Например, они оценили, как материал будет вести себя в определенных городских районах по всему миру, чтобы получить представление о его потенциальном воздействии при масштабном развертывании.
«Наш подход был уникальным, поскольку он требовал точного баланса материалов и методов, которые ранее не исследовались в этой комбинации, предлагая новый путь для разработки умных материалов», — сказал Ананд Путират, научный сотрудник исследовательской группы Ajayan и соавтор исследования. «Мы провели комплексные эксперименты для характеристики свойств материала, а также испытания на устойчивость к воздействию окружающей среды и долговечность, показав, что наша смесь может превзойти существующие термохромные материалы».
Исследователи синтезировали материал, смешав два полимера с типом соли, и работали над оптимизацией состава для достижения плавных переходов между прозрачными и непрозрачными состояниями при колебаниях температуры. Их результаты показывают, что новая термохромная смесь не только очень эффективна в регулировании солнечного излучения, но и необычайно долговечна с предполагаемым сроком службы 60 лет.
«Результаты этих исследований устанавливают новые стандарты долговечности и производительности термохромных материалов, особенно в простой и практически жизнеспособной системе», — сказал Аджаян, автор-корреспондент исследования и профессор инженерии имени Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон из Университета Райса, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и наноинженерии.
«Наша работа решает важнейшую задачу в области устойчивой архитектуры , предлагая практичное и масштабируемое решение для повышения энергоэффективности зданий».
Термохромное поведение материала изучалось совместно с профессором Йи Лонг и ее докторантом Шаньчэн Ван с кафедры электронной инженерии Китайского университета Гонконга в Ша Тине.
