För att kämpa mot sommarvärmen, kontors- och bostadshus tenderar att skruva upp luftkonditioneringen, skickar energiräkningar i höjden. Verkligen, det uppskattas att luftkonditioneringsapparater använder cirka 6 procent av all el som produceras i USA, till en årlig kostnad av 29 miljarder dollar – en kostnad som säkerligen kommer att växa i takt med att den globala termostaten klättrar.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en värmeavvisande film som kan appliceras på en byggnads fönster för att reflektera upp till 70 procent av solens inkommande värme. Filmen kan förbli mycket transparent under 32 grader Celsius, eller 89 grader Fahrenheit. Över denna temperatur, forskarna säger, filmen fungerar som ett "autonomt system" för att avvisa värme. De uppskattar att om varje utvändigt fönster i en byggnad skulle täckas av den här filmen, byggnadens luftkonditionerings- och energikostnader kan sjunka med 10 procent.

Filmen liknar genomskinlig plastfolie, och dess värmeavvisande egenskaper kommer från små mikropartiklar inbäddade i den. Dessa mikropartiklar är gjorda av en typ av fasförändrande material som krymper när de utsätts för temperaturer på 85 grader Fahrenheit eller högre. I sina mer kompakta konfigurationer, mikropartiklarna ger den normalt genomskinliga filmen ett mer genomskinligt eller frostat utseende.

Appliceras på fönster på sommaren, filmen kunde passivt kyla en byggnad samtidigt som den släpper in en bra mängd ljus. Nicholas Fang, en professor i maskinteknik vid MIT, säger att materialet ger ett prisvärt och energieffektivt alternativ till befintliga smarta fönsterteknologier.

"Smarta fönster på marknaden för närvarande är antingen inte särskilt effektiva för att avvisa värme från solen, eller, som vissa elektrokroma fönster, de kan behöva mer kraft för att driva dem, så du skulle betala för att i princip göra fönster ogenomskinliga, " Fang säger. "Vi trodde att det kunde finnas utrymme för nya optiska material och beläggningar, för att ge bättre smarta fönsteralternativ."

Fang och hans kollegor, inklusive forskare från University of Hong Kong, har publicerat sina resultat i tidskriften Joule .

"Ett fisknät i vattnet"

För drygt ett år sedan, Fang började samarbeta med forskare vid University of Hong Kong, som var angelägna om att hitta sätt att minska energianvändningen av byggnader i staden, särskilt under sommarmånaderna, när regionen blir notoriskt varm och användningen av luftkonditionering är på topp.

"Att möta denna utmaning är avgörande för ett storstadsområde som Hongkong, där de har en strikt deadline för energibesparingar, " säger Fang, hänvisar till Hongkongs åtagande att minska sin energianvändning med 40 procent till år 2025.

Efter några snabba beräkningar, Fangs elever upptäckte att en betydande del av en byggnads värme kommer genom fönster, i form av solljus.

"Det visar sig att för varje kvadratmeter, ca 500 watt energi i form av värme förs in av solljus genom ett fönster, " Fang säger. "Det motsvarar ungefär fem glödlampor."

Fang, vars grupp studerar de ljusspridande egenskaperna hos exotiska, fasförändrande material, undrade om sådana optiska material kunde tillverkas för fönster, att passivt reflektera en betydande del av en byggnads inkommande värme.

Forskarna tittade igenom litteraturen efter "termokroma" material - temperaturkänsliga material som tillfälligt ändrar fas, eller färg, som svar på värme. De landade så småningom på ett material tillverkat av mikropartiklar av poly (N-isopropylakrylamid)-2-aminoetylmetakrylathydroklorid. Dessa mikropartiklar liknar små, transparent, fibervävda sfärer och är fyllda med vatten. Vid temperaturer på 85 F eller högre, sfärerna pressar i princip ut allt sitt vatten och krymper till täta buntar av fibrer som reflekterar ljus på ett annat sätt, gör materialet genomskinligt.

"Det är som ett fisknät i vattnet, " Fang säger. "Var och en av de fibrerna som gör nätet, av sig själva, reflekterar en viss mängd ljus. Men eftersom det är mycket vatten inbäddat i fisknätet, varje fiber är svårare att se. Men när du väl pressar ut vattnet, fibrerna blir synliga."

I tidigare experiment, andra grupper hade funnit att medan de krympta partiklarna kunde avvisa ljus relativt bra, de var mindre framgångsrika i att skydda mot värme. Fang och hans kollegor insåg att denna begränsning berodde på partikelstorleken:Partiklarna som tidigare användes krympte till en diameter på cirka 100 nanometer - mindre än våglängden för infrarött ljus - vilket gjorde det lätt för värme att passera rakt igenom.

Istället, Fang och hans kollegor utökade molekylkedjan för varje mikropartikel, så att när den krympte som svar på värme, partikelns diameter var cirka 500 nanometer, som Fang säger är "mer kompatibel med det infraröda spektrumet av solljus."

En komfortskillnad

Forskarna skapade en lösning av de värmeskyddande mikropartiklarna, som de applicerade mellan två skivor av 12 x 12-tums glas för att skapa ett filmbelagt fönster. De lyste ljus från en solsimulator mot fönstret för att efterlikna inkommande solljus, och fann att filmen blev frostig som svar på värmen. När de mätte solinstrålningen som överfördes genom andra sidan av fönstret, forskarna fann att filmen kunde avvisa 70 procent av värmen från lampan.

Teamet fodrade också en liten kalorimetrisk kammare med den värmeavvisande filmen och mätte temperaturen inuti kammaren när de lyste ljus från en solsimulator genom filmen. Utan filmen, den inre temperaturen uppvärmd till cirka 102 F—"ungefär temperaturen för en hög feber, " Fang anteckningar. Med filmen, den inre kammaren stannade vid en mer acceptabel 93 F.

"Det är en stor skillnad, " Fang säger. "Du kan göra en stor skillnad i komfort."

Går framåt, teamet planerar att genomföra fler tester av filmen för att se om att justera dess formel och tillämpa den på andra sätt kan förbättra dess värmeskyddande egenskaper.