Färgen på ett material kan ofta säga något om hur det hanterar värme. Tänk på att bära en svart skjorta en härlig sommardag - ju mörkare pigmentet är, desto varmare kommer du sannolikt att känna dig. Likaså, ju mer genomskinligt ett glasfönster, desto mer värme kan den släppa igenom. Ett materials svar på synlig och infraröd strålning är ofta naturligt kopplade.

Nu har MIT-ingenjörer gjort prover av starka, vävnadsliknande polymermaterial, vars färg- och värmeegenskaper de kan skräddarsy oberoende av varandra. Till exempel, de har tillverkat prover av mycket tunn svart film utformad för att reflektera värme och hålla sig sval. De har också gjort filmer som visar en regnbåge av andra färger, var och en gjord för att reflektera eller absorbera infraröd strålning oavsett hur de reagerar på synligt ljus.

Forskarna kan specifikt ställa in färg- och värmeegenskaperna hos detta nya material för att passa kraven för en mängd omfattande tillämpningar, inklusive färgglada, värmereflekterande byggnadsfasader, fönster, och tak; ljusabsorberande, värmeavledande överdrag för solpaneler; och lätt tyg för kläder, ytterkläder, tält, och ryggsäckar – alla designade för att antingen fånga eller reflektera värme, beroende på i vilka miljöer de skulle användas.

"Med detta material, allt kunde se mer färgglatt ut, för då skulle du inte bry dig om vad färgen gör med den termiska balansen av, säga, en byggnad, eller ett fönster, eller dina kläder, " säger Svetlana Boriskina, en forskare vid MIT:s avdelning för maskinteknik.

Boriskina är författare till en studie som idag visas i tidskriften Optical Materials Express , beskriver den nya materialtekniska tekniken. Hennes MIT-medförfattare är Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, och Gang Chen, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik, tillsammans med Yassine Ait El Aoud och Richard Osgood III, båda Combat Capabilities Development Command Soldier Center, i Natick, Massachusetts.

Polymerledare

För detta arbete, Boriskina inspirerades av de livfulla färgerna i målade glasfönster, som i århundraden har gjorts genom att tillsätta partiklar av metaller och andra naturliga pigment till glas.

"Dock, trots att de ger utmärkt visuell transparens, glas har många begränsningar som material, " konstaterar Boriskina. "Det är skrymmande, oböjlig, ömtålig, sprider inte värmen bra, och är uppenbarligen inte lämplig för bärbara applikationer."

Hon säger att även om det är relativt enkelt att skräddarsy färgen på glaset, materialets reaktion på värme är svår att trimma. Till exempel, glaspaneler reflekterar rumstemperaturvärme och fångar den inne i rummet. Vidare, om färgat glas utsätts för inkommande solljus från en viss riktning, värmen från solen kan skapa en hotspot, som är svår att skingra i glas. Om ett material som glas inte kan leda eller avleda värme bra, att värme kan skada materialet.

Detsamma kan sägas om de flesta plaster, som kan konstrueras i vilken färg som helst men för det mesta är värmeabsorbenter och isolatorer, koncentrera och fånga värme istället för att reflektera bort den.

Under de senaste åren, Chens labb har letat efter sätt att manipulera flexibla, lätta polymermaterial att leda, istället för att isolera, värme, mest för applikationer inom elektronik. I tidigare arbeten, forskarna fann att genom att försiktigt sträcka polymerer som polyeten, de kunde förändra materialets inre struktur på ett sätt som också förändrade dess värmeledande egenskaper.

Boriskina trodde att denna teknik kan vara användbar inte bara för att tillverka polymerbaserad elektronik, men också inom arkitektur och kläder. Hon anpassade denna polymertillverkningsteknik, lägga till en nyans av färg.

"Det är väldigt svårt att utveckla ett nytt material med alla dessa olika egenskaper i sig, "säger hon." Vanligtvis om du ställer in en egendom, den andra förstörs. Här, vi började med en egenskap som upptäcktes i den här gruppen, och sedan lade vi till en ny fastighet kreativt. Tillsammans fungerar det som ett multifunktionellt material."

Hotspots sträckte sig bort

För att tillverka de färgglada filmerna, teamet började med en blandning av polyetenpulver och ett kemiskt lösningsmedel, som de tillsatte vissa nanopartiklar för att ge filmen en önskad färg. Till exempel, att göra svart film, de tillsatte partiklar av kisel; annan röd, blå, grön, och gula filmer gjordes med tillsats av olika kommersiella färgämnen.

Teamet fäste sedan varje nanopartikel-inbäddad film på en roll-to-roll-apparat, som de värmde upp för att mjuka upp filmen, vilket gör det mer böjligt då forskarna försiktigt sträckte materialet.

När de sträckte ut varje film, de hittade, inte överraskande, att materialet blev mer transparent. De observerade också att polyetens mikroskopiska struktur förändrades när den sträcktes. Där normalt materialets polymerkedjor liknar en oorganiserad härva, liknar kokt spagetti, när de sträcks rätas dessa kedjor ut, bildar parallella fibrer.

När forskarna placerade varje prov under en solsimulator - en lampa som efterliknar solens synliga och termiska strålning - fann de ju mer utsträckt en film, desto mer värme kunde den avleda. Den långa, parallella polymerkedjor gav i huvudsak en direkt väg längs vilken värme kunde färdas. Längs dessa kedjor, värme, i form av fononer, kunde då skjuta bort från sin källa, på ett "ballistiskt" sätt, undvika bildandet av hotspots.

Forskarna fann också att ju mindre de sträckte materialet, ju mer isolerande det var, fånga värme, och bildande av hotspots i polymertrassel.

Genom att kontrollera graden till vilken materialet sträcks, Boriskina kan kontrollera polyetens värmeledande egenskaper, oavsett materialets färg. Hon valde också noggrant ut nanopartiklarna, inte bara genom sin visuella färg, men också genom deras interaktioner med osynlig strålningsvärme. Hon säger att forskare potentiellt kan använda denna teknik för att producera tunna, flexibel, färgglada polymerfilmer, som kan leda eller isolera värme, beroende på applikation.

Går framåt, hon planerar att lansera en webbplats som erbjuder algoritmer för att beräkna ett materials färg och termiska egenskaper, baserat på dess dimensioner och inre struktur.

Förutom filmer, hennes grupp arbetar nu med att tillverka nanopartikelinbäddad polyetentråd, som kan sys ihop för att bilda lätta kläder, utformad för att antingen vara isolerande, eller kylning.

"Detta är i filmfaktor nu, men vi bearbetar det till fibrer och tyger, Boriskina säger. "Polyeten produceras i miljarder ton och kan återvinnas, för. Jag ser inga betydande hinder för storskalig produktion."