Учёные из KAIST и Сеульского национального университета представили новый тип «умного» гидрогеля, который способен автоматически охлаждать или согревать поверхность без использования электричества. Технология представлена в журнале Advanced Materials. Она, по оценке авторов, близка к естественным механизмам терморегуляции, которые используют живые организмы.
В основе разработки — полимерная матрица из полиакриламида, в которую включены гидроксипропилцеллюлоза (HPC) и ионы лития. Такое сочетание позволяет материалу по-разному реагировать на изменения температуры и солнечного света. При нагреве молекулы HPC собираются в плотные структуры, и гидрогель становится непрозрачным, эффективно отражая солнечное излучение. Дополнительное охлаждение обеспечивается испарением влаги, находящейся в его объёме.
При снижении температуры происходит обратный процесс: структура геля вновь становится прозрачной, солнечный свет проникает через неё, а вода внутри материала конденсируется, выделяя тепло. Таким образом, гель переходит в режим пассивного согревания без каких-либо внешних энергетических затрат.
Исследователи выделяют четыре характерных режима работы материала: ночное или холодное согревание через конденсацию влажности; поглощение ближнего инфракрасного излучения при слабом солнечном свете; мощное испарительное охлаждение в сухих жарких условиях; и отражательное охлаждение при высокой солнечной радиации. Все эти режимы переключаются автоматически — только под воздействием внешней среды.
Полевые испытания подтвердили эффективность подхода. Летом поверхность, покрытая новым гидрогелем, оставалась в среднем на 3,7°C холоднее, чем при использовании традиционных материалов для испарительного охлаждения. Зимой наблюдалась противоположная картина — температура под покрытием была на 3,5°C выше, чем у обычных поверхностей в тех же условиях.
Отдельное моделирование, проведённое для семи климатических зон по стандарту ASHRAE, показало, что годовая экономия энергии при применении такого покрытия может достигать 153 МДж на квадратный метр. Это особенно важно для регионов со значительной амплитудой температур или слабой энергетической инфраструктурой.
Для усиления прочности и стабильности учёные добавили в структуру гидрогеля наночастицы диоксида титана. А изменение концентраций HPC и литиевых ионов позволяет адаптировать окончательные свойства материала — например, настроить диапазоны температуры, при которых включается тот или иной режим терморегуляции.
Руководитель исследования профессор Ён Мин Сон подчеркнул, что такой материал «повторяет ключевые стратегии, которыми природа регулирует тепло», и может стать платформой для новых решений в области пассивного климат-контроля.
Разработку предполагается использовать как покрытие для фасадов и кровель, в переносных укрытиях и в других объектах, где требуется регулирование температуры без затрат энергии. Авторы считают, что подобные гибридные материалы могут стать частью технологий устойчивого строительства и снижения энергетической нагрузки на здания.