Byggnader ägnar mer än 30% av sin energianvändning åt uppvärmning, kyl, och belysningssystem. Passiva mönster som svala takfärger har gått långt för att minska denna användning, och dess påverkan på miljö och klimat, men de har en nyckelbegränsning - de är vanligtvis statiska, och därmed inte reagerar på dagliga eller säsongsförändringar.

Columbia Engineering-forskare har utvecklat porösa polymerbeläggningar (PPC) som möjliggör billiga och skalbara sätt att kontrollera ljus och värme i byggnader. De utnyttjade den optiska omkopplingsförmågan hos PPC:er i solvåglängderna för att reglera solvärme och dagsljus, och utvidgade konceptet till termiska infraröda våglängder för att modulera värme som utstrålas av objekt. Deras verk publiceras den 21 oktober, 2019 av Joule .

"Vårt arbete visar att genom att väta PPC med vanliga vätskor som alkohol eller vatten, vi kan reversibelt växla deras optiska transmittans i sol- och termiska våglängder, "säger Jyotirmoy Mandal, huvudförfattare till studien och en tidigare doktorand student i Yuan Yangs labb, biträdande professor i materialvetenskap och teknik. "Genom att placera sådana PPC:er i ihåliga plast- eller glaspaneler, vi kan göra byggnadskuvert som kan reglera inomhustemperaturer och ljus."

Teamets design liknar smarta fönster, men med en högre optisk omkopplingsförmåga, och är byggd med enklare, billiga material som skulle kunna göra det genomförbart i stor skala. Den bygger på tidigare arbete som demonstrerade en färgliknande fluorpolymerbeläggning med lufthål i nano-till-mikroskala som kan kyla ner byggnader. Den beläggningen var statisk, dock. "På platser som New York, som ser varma somrar och hårda vintrar, design som kan växla mellan värme- och kyllägen kan vara mer användbara, "säger Yang.

Teamet började sitt arbete med att optiskt byta PPC:er seriöst, när Mandal märkte att några droppar alkohol spillts på en vit fluorpolymer PPC gjorde den genomskinlig. "Vad vi såg var samma mekanism som gör att papper blir genomskinligt när det blöts, men på en nästan optimal nivå, "säger Mandal." Fysiken i detta har tidigare undersökts, men den drastiska växlingen vi såg fick oss att utforska just detta fall, och hur det kan användas."

Ett poröst material som papper ser vitt ut eftersom luften i porerna har ett annat brytningsindex (~1) än det porösa materialet (~1,5), får dem att sprida och reflektera ljus. Vid vätning av vatten, som har ett brytningsindex (~1,33) närmare materialet, spridningen minskar och mer ljus går igenom, gör det genomskinligt. Transmissionen ökar när brytningsindexen är nära matchade. Forskarna upptäckte att deras fluorpolymer (~1,4) och typiska alkoholer (~1,38) har mycket nära brytningsindex.

"Så när den är blöt, den porösa polymeren blir optiskt homogen, " säger Yang. "Ljuset sprids inte längre, och passerar genom - ungefär som genom massivt glas - blir den porösa polymeren transparent. "

På grund av den nästan perfekta brytningsindexmatchningen av alkoholer och fluorpolymeren, laget skulle kunna ändra soltransmittansen för sina PPC:er med ~74%; för den synliga delen av solljus, förändringen var ~80%. Även om växlingen är långsammare än i vanliga smarta fönster, överföringsförändringarna är betydligt högre, gör PPC attraktiva för att kontrollera dagsljus i byggnader.

Forskarna undersökte också hur optisk switchning kunde användas för termoreglering. "Vi föreställde oss tak som är vita under sommaren för att hålla byggnaderna svala, och blir svart under vintern för att värma dem, "säger Yang, "Detta kan kraftigt minska kostnaderna för luftkonditionering och uppvärmning av byggnader".

För att testa deras idé, forskarna satte paneler som innehåller PPC på leksakshus med svarta tak. En panel var torr och reflekterande, medan den andra var våt och genomskinlig, visar det svarta taket under. Under solljus en sommarmiddag, det vita taket blev kallare än den omgivande luften med ~3C/5F, medan den svarta blev mycket varmare, vid ~ 21C/38F.

Teamet undersökte också byte av termiska infraröda våglängder, och observerade en ny växling mellan "ishus" till "växthus" tillstånd genom att väta infraröd-transparent polyeten PPC. När det är torrt, de porösa polyeten PPC:erna reflekterar solljus men överför strålad värme, beter sig som ett "ishus". Att blöta PPC:erna gör att de sänder solljus, och, eftersom typiska vätskor absorberar termiska våglängder, blockera strålad värme, som ett växthus. Eftersom de modulerar både sol- och värmestrålning, de kan reglera värmen både dag och natt.

"Även om det erhålls helt enkelt, övergången är ganska ovanlig jämfört med att byta till andra optiska system, och är kanske första gången det har rapporterats, säger Mandal.

Yangs team testade också andra potentiella applikationer, som termiskt kamouflage och färger som reagerar på regn. Den senare kan användas för att kyla eller värma byggnader i klimatzoner i Medelhavet och den kaliforniska kusten, som ser torra somrar och regniga vintrar. Forskarna tittar nu på sätt att skala upp sina mönster, och utforska möjligheter att distribuera och testa dem i stor skala.

"Med tanke på skalbarheten och prestandan hos de PPC-baserade designerna, vi är hoppfulla att deras ansökningar kommer att bli utbredda, "säger Yang, "särskilt, Vi är glada över deras potentiella tillämpningar på att bygga fasader ".

Mandal, som nu gör postdoktoral forskning som Schmidt Science Fellow vid University of California, Los Angeles, lägger till, "Vi valde medvetet vanliga polymerer och enkla konstruktioner för vårt arbete. Målet är att göra dem lokalt tillverkbara och genomförbara i utvecklingsländer, där de skulle ha störst inverkan."

Studien har titeln "Porösa polymerer med omkopplingsbar optisk transmittans för optisk och termisk reglering."