В “Путанице” Корнея Чуковского бабочка потушила крыльями пылающее море. Стихотворение было написано в шутку, без какой-либо научной подоплеки. Однако, Александр Пушкин в “Сказке о золотом петушке” писал, что “сказка – ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок”. И оказался совершенно прав в своих словах. Ведь недавно крыло бабочки помогло создать охлаждающую цветную пленку.
Ученые разработали удивительные многослойные цветные пленки, вдохновленные крыльями бабочек, которые могут охлаждать поверхность на целых два градуса по Цельсию в сравнении с окружающей средой.
Для понимания, как это получилось, стоит взглянуть на обычные краски. Они работают, поглощая определенные части света и могут привести к нагреву окрашенных предметов. Поэтому часто используется белая краска, которая отражает солнечную энергию и предотвращает нагрев. Однако создание разноцветных поверхностей, которые не нагреваются, долго оставалось проблемой.
Как вообще появляется окрашивание?
Понимание механизма возникновения обычно помогает при разработке того или иного изобретения. Описано два основных способа появления окраски у растений и животных: химический и физический. Посмотрим на каждый из них внимательнее.
Химическая окраска: Цвет растений и животных часто определяется наличием пигментов. Пигменты - это специальные химические вещества, способные поглощать свет определенных длин волн. Например, хлорофилл - пигмент, отвечающий за зеленый цвет у растений, поглощает световую энергию в синем и красном диапазонах, а зеленый свет отражается, создавая зеленую окраску листьев.
У животных также есть пигменты, такие как меланин (ответственный за цвет кожи, волос и перьев) и каротиноиды (придают птицам яркую окраску). Эти химические соединения определяют, какой цвет будет виден у живых существ.
Физическая окраска: Физическая окраска основана на взаимодействии света с микроскопическими структурами на поверхности организмов. Например, многие бабочки имеют крылья, покрытые микроскопическими бороздками или чешуйками. Эти структуры рассеивают свет так, что определенные цвета оказываются в фазе и усиливаются, в то время как другие подавляются. Именно взаимодействие со светом (для ребят постарше: волновой его составляющей) создает яркую и красочную окраску у бабочек.
Вдохновленные чешуекрылыми, исследователи разработали многослойную структуру, используя оксид титана и кремний на матовом стекле, которое находится над отражающей серебряной поверхностью. Эта структура была оптимизирована так, чтобы отражать нежелательный желтый свет и одновременно передавать насыщенный синий цвет.
Как это работает?
Синий свет проникает через многослойную структуру, отражается от неупорядоченного матового стекла, затем от серебряного зеркала и, вернувшись через структуру, создает насыщенный синий цвет на поверхности. Это позволяет создавать красочные поверхности, которые не нагреваются, открывая новые перспективы для различных приложений, включая эффективное охлаждение.
Ученым удалось создать пленку, которая не только достигла высокой насыщенности синего цвета до 100% в угле обзора ±60 градусов, но и обладает удивительной способностью охлаждать поверхность на два градуса Цельсия ниже температуры окружающей среды. Эта эффективность сравнима с бесцветной охлаждающей пленкой, использующей серебро и полидиметилсилоксан (ПДМС).
Охлаждение достигается благодаря высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, минимального поглощения нежелательной части видимого света, а также ближнего инфракрасного излучения. К тому же, высокий уровень излучения в среднем инфракрасном диапазоне способствует этому процессу, создавая инновационное решение для эффективного охлаждения поверхностей с использованием технологии, вдохновленной природой.
Сравнение нагрева обычной синей краски и охлаждающих многослойных образцов на крыше здания и на автомобиле. Справа приведен график притока тепла на метр квадратный для обычной синей краски и охлаждение для многослойного образца в течение года в Шенчжене (Китай)
Wanlin Wang et al. / Optica, 2023
Команда ученых разработала удивительную технологию, которая позволяет поверхностям оставаться прохладными даже при жаркой погоде. Они использовали эту технологию для создания разноцветных образцов и провели эксперименты, устанавливая их на крышах зданий и автомобилях.
Важно отметить, что обычная синяя краска, подвергаясь солнечному свету при температуре 27 градусов Цельсия, нагревалась до 70 градусов. Однако образцы с использованием новой технологии при таких же условиях оставались на целых 45 градусов прохладнее.
Эти результаты имеют потенциал для значительной экономии энергии. В Шеньчжене, например, замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы сэкономить огромное количество энергии - около 1377 мегаджоулей на каждом квадратном метре поверхности в течение года.
Интересно, что ученые исследовали неупорядоченные структуры, которые обладают способностью рассеивать солнечный свет. Это может быть полезным для различных применений, включая предотвращение таяния льдов. Ученые также надеются дальше улучшить эту технологию и достичь еще большей эффективности в охлаждении поверхностей.
Автор статьи: редактор-обозреватель научно-популярных новостей Софья Шехова