Відоме кожному відчуття, коли готуєшся до зимового дня, а потім опиняєшся в задушливому офісі, змушений знімати шари одягу? Пінгвінам таке не знайоме. Вони майстерно адаптуються до будь-яких температур, почуваючись комфортно як у спеку, так і в холод. Саме надихнувшись цими, на перший погляд незграбними, але надзвичайно ефективними в терморегуляції створіннями, науковці презентували інноваційний матеріал. Він здатен пасивно перемикатися між режимами обігріву та охолодження, що раніше здавалося надскладним завданням.
Революційний матеріал: бій температурним перепадам
Розроблений спільною командою фахівців з Харбінського технологічного інституту, Хенаньського педагогічного університету та Сучжоуської лабораторії, цей матеріал демонструє унікальні властивості. Він може поглинати сонячне випромінювання для нагрівання, відбивати його задля охолодження, а також контролювати проходження мікрохвиль залежно від температури навколишнього середовища. Додатковою перевагою є його здатність відштовхувати воду та лід. Наразі технологія перебуває на стадії лабораторних досліджень. Наступними кроками є проведення довготривалих випробувань, розробка промислових методів масштабування виробництва та адаптація для практичного застосування. Результати дослідження висвітлено у престижному науковому виданні Advanced Functional Materials.
Виклики терморегуляції у сучасному світі
Нахил земної осі та орбіта планети зумовлюють зміну пір року, що супроводжується значними коливаннями температури. У деяких кліматичних зонах рік може поєднувати як спекотне літо, так і сувору зиму. Для адаптації до цих умов людство винайшло численні технології терморегуляції. До пасивних рішень належать спеціальні покриття та матеріали для будівель і транспортних засобів, які здатні або акумулювати тепло, або ефективно його відбивати.
Конфлікт між тепловим менеджментом та електромагнітним захистом
«Основна проблема полягає в нестабільності температур, тоді як матеріали, як правило, оптимізовані лише для одного режиму роботи. Поверхня, яка чудово відбиває тепло влітку, взимку може стати неефективною, відвертаючи цінне сонячне тепло. Ситуацію ускладнює сучасне технологічне середовище. Ми постійно перебуваємо під впливом безлічі антен, систем зв’язку, радарів, сенсорів, супутників, дронів та щільного електромагнітного поля», — зазначається у дослідженні.
На жаль, ефективна терморегуляція та контроль електромагнітних хвиль часто виступають як взаємовиключні завдання. Матеріали, що забезпечують охолодження, зазвичай відбивають сонячне світло. Водночас матеріали для екранування від мікрохвиль часто базуються на електропровідності, що може призводити до додаткового нагрівання.
«Янус»-плівка: прорив у функціональності
Об’єднання цих різнопланових функцій в одному матеріалі без шкоди для ефективності виявилося надзвичайно складним завданням. Інженери вже створювали ефективні термопокриття та окремо — матеріали для електромагнітного захисту. Однак, матеріал, здатний динамічно перемикатися між режимами нагрівання та охолодження, одночасно модулюючи взаємодію з мікрохвилями, залишався майже на рівні наукової фантастики. Аж до сьогодні.
«Ми створили плівку типу «Янус» (Janus) — названу на честь дволикого римського бога, яка саме це й робить. В основі її конструкції лежить діоксид ванадію (VO₂) — унікальна сполука з «подвійною поведінкою». За низьких температур VO₂ діє як діелектрик (ізолятор). Але при нагріванні приблизно до 68 °C він різко трансформується у металоподібний, електропровідний стан. Цей перехід знижує електричний опір приблизно в 10 000 разів. Саме ця властивість дозволяє плівці динамічно керувати проходженням мікрохвиль», — пояснюють дослідники.
Як це працює?
Для створення цього інноваційного матеріалу дослідники інтегрували VO₂ у мікроскопічні волокнисті структури, розташовані у гнучкому полімерному шарі. Одна сторона плівки виконує функцію «нагрівача». Вона поглинає близько 94,5% сонячної енергії, швидко нагріваючись під прямими променями. За результатами лабораторних тестів, поверхня досягала температури приблизно 73 °C, що на 52 °C вище за температуру навколишнього середовища. У польових умовах температура сягала 87 °C. Важливо, що коли VO₂ переходить у провідний стан, структура матеріалу змінює спосіб взаємодії з мікрохвилями, забезпечуючи необхідний захист.
Думка UA Новини: Ця розробка може кардинально змінити підходи до створення енергоефективних будівель та персонального одягу, зменшуючи залежність від активних систем клімат-контролю. Впровадження подібних «розумних» матеріалів відкриє нові горизонти для адаптації до змін клімату та зменшення енергоспоживання.
Інформація підготовлена на основі матеріалів: itc.ua