Med stigande temperaturer och värmeböljor som stör livet runt om i världen, kyllösningar blir allt viktigare. Detta är en kritisk fråga, särskilt i utvecklingsländer, där sommarvärmen kan vara extrem och förväntas intensifieras. Men vanliga kylningsmetoder som luftkonditionering är dyra, förbrukar betydande mängder energi, kräver enkel tillgång till el, och kräver ofta kylmedel som bryter ned ozon eller har en stark växthuseffekt.

Ett alternativ till dessa energikrävande kylningsmetoder är passiv dagtid radiativ kylning (PDRC), ett fenomen där en yta spontant svalnar genom att reflektera solljus och utstråla värme till den kallare atmosfären. PDRC är mest effektivt om en yta har en hög solreflektans (R) som minimerar solvärmevinsten, och en hög, termisk emittans (ε) som maximerar strålningsvärmeförlusten till himlen. Om R och ε är tillräckligt höga, en nettovärmeförlust kan uppstå, även i solljus.

Att utveckla praktiska PDRC-designer har varit utmanande:många nya designförslag är komplexa eller kostsamma, och kan inte implementeras i stor utsträckning eller appliceras på hustak och byggnader, som har olika former och texturer. Tills nu, vita färger, som är billiga och lätta att applicera, har varit riktmärket för PDRC. Vita färger, dock, har vanligtvis pigment som absorberar UV-ljus, och reflekterar inte längre solvåglängder särskilt bra, så deras prestanda är i bästa fall blygsam.

Forskare vid Columbia Engineering har uppfunnit en högpresterande exteriör PDRC-polymerbeläggning med nano-till-mikroskala lufthåligheter som fungerar som en spontan luftkylare och kan tillverkas, färgade, och appliceras som målarfärg på hustak, byggnader, vattentankar, fordon, till och med rymdfarkoster – allt som kan målas. De använde en lösningsbaserad fasinversionsteknik som ger polymeren en porös skumliknande struktur. Lufthålen i den porösa polymeren sprider och reflekterar solljus, på grund av skillnaden i brytningsindex mellan lufthålen och den omgivande polymeren. Polymeren blir vit och undviker därmed solvärme, medan dess inneboende emittans gör att den effektivt tappar värme till himlen. Studien publiceras online idag i Vetenskap .

Teamet – Yuan Yang, biträdande professor i materialvetenskap och teknik; Nanfang Yu, docent i tillämpad fysik; och Jyotirmoy Mandal, huvudförfattare till studien och en doktorand i Yangs grupp (alla avdelningar för tillämpad fysik och tillämpad matematik) – byggd på tidigare arbete som visade att enkla plaster och polymerer, inklusive akryl, silikon, och PET, är utmärkta värmeelement och kan användas för PDRC. Utmaningarna var hur man fick dessa normalt transparenta polymerer att reflektera solljus utan att använda silverspeglar som reflektorer och hur man gör dem lätta att använda.

De bestämde sig för att använda fasinversion eftersom det är en enkel, lösningsbaserad metod för att göra ljusspridande lufthål i polymerer. Polymerer och lösningsmedel används redan i färger, och Columbia Engineering-metoden ersätter i huvudsak pigmenten i vit färg med lufthåligheter som reflekterar alla våglängder av solljus, från UV till infrarött.

"Denna enkla men grundläggande modifiering ger exceptionella R och ε som är lika med eller överträffar de för toppmoderna PDRC-designer, men med en bekvämlighet som nästan är målarlik, säger Mandal.

Forskarna fann sin polymerbeläggnings höga solreflektans (R> 96 %) och hög termisk emittans (ε ~ ​​97 %) höll det betydligt svalare än dess miljö under vitt skilda himlar, t.ex. med 6 C i det varma, torr öken i Arizona och 3 C i dimmigt, tropisk miljö i Bangladesh. "Det faktum att kylning uppnås i både öken och tropiskt klimat, utan något termiskt skydd eller skärmning, visar användbarheten av vår design där kylning krävs, "Yang noterar.

Teamet skapade också färgade polymerbeläggningar med kylningsförmåga genom att lägga till färgämnen. "Att uppnå en överlägsen balans mellan färg och kylningsprestanda jämfört med nuvarande färger är en av de viktigaste aspekterna av vårt arbete, " Yu noterar. "För yttre beläggningar, färgvalet är ofta subjektivt, och färgtillverkare har försökt göra färgade beläggningar, som de för tak, i årtionden."

Gruppen tog miljö- och verksamhetsfrågor, såsom återvinningsbarhet, biokompatibilitet, och funktion vid hög temperatur, beaktas, och visade att deras teknik kan generaliseras till en rad polymerer för att uppnå dessa funktionaliteter. "Polymerer är en otroligt mångfaldig klass av material, och eftersom denna teknik är generisk, ytterligare önskvärda egenskaper kan enkelt integreras i våra PDRC-beläggningar, om lämpliga polymerer finns tillgängliga, " tillägger Mandal.

"Naturen erbjuder många sätt att värma och kyla, varav några är extremt välkända och allmänt studerade och andra som är dåligt kända. Strålningskylning – genom att använda himlen som kylfläns – tillhör den senare gruppen, och dess potential har konstigt nog förbisetts av materialforskare tills för några år sedan, säger Uppsala universitets fysikprofessor Claes-Göran Granqvist, en pionjär inom området för radiativ kylning, som inte var involverad i studien. "Publikationen av Mandal et al. belyser vikten av strålningskylning och representerar ett viktigt genombrott genom att visa att hierarkiskt porösa polymerbeläggningar, som kan tillagas billigt och bekvämt, ger utmärkt kylning även i fullt solljus."

Yang, Yu, och Mandal förfinar sin design när det gäller tillämpbarhet, samtidigt som man utforskar möjligheter som användningen av helt biokompatibla polymerer och lösningsmedel. De för samtal med industrin om nästa steg.

"Nu är en kritisk tid för att utveckla lovande lösningar för hållbar mänsklighet, "Yang noterar, "Det här året, vi bevittnade värmeböljor och rekordstora temperaturer i Nordamerika, Europa, Asien, och Australien. Det är viktigt att vi hittar lösningar på denna klimatutmaning, och vi är mycket glada över att arbeta med den här nya tekniken som hanterar det."

Yu tillägger att han brukade tro att vitt var den mest ouppnåeliga färgen:"När jag studerade akvarellmålning för flera år sedan, vita färger var dyrast. Cremnitz vit eller blyvit var valet av stora mästare, inklusive Rembrandt och Lucian Freud. Vi har nu visat att vitt faktiskt är den färg som är bäst att uppnå. Det kan göras med hjälp av inget annat än lufthål i rätt storlek inbäddade i ett transparent medium. Lufthåligheter är det som gör snövita och silvermyror från Sahara silverfärgade."

Studien har titeln "Hierarkiskt porösa polymerbeläggningar för högeffektiv passiv kylning på dagtid."