A cor de um material geralmente pode dizer algo sobre como ele lida com o calor. Pense em usar uma camisa preta em um dia escaldante de verão - quanto mais escuro o pigmento, mais quente você provavelmente se sentirá. Da mesma forma, quanto mais transparente uma janela de vidro, mais calor ele pode deixar passar. As respostas de um material à radiação visível e infravermelha costumam estar naturalmente ligadas.

Agora, os engenheiros do MIT fizeram amostras de material de polímero semelhante a tecido, as propriedades de cor e calor que eles podem adaptar independentemente um do outro. Por exemplo, eles fabricaram amostras de um filme preto muito fino projetado para refletir o calor e permanecer frio. Eles também fizeram filmes exibindo um arco-íris de outras cores, cada um feito para refletir ou absorver a radiação infravermelha, independentemente da forma como respondem à luz visível.

Os pesquisadores podem ajustar especificamente as propriedades de cor e calor deste novo material para atender aos requisitos de uma ampla gama de aplicações, incluindo colorido, fachadas de edifícios que refletem o calor, janelas, e telhados; absorvente de luz, coberturas de dissipação de calor para painéis solares; e tecido leve para roupas, agasalhos, tendas, e mochilas - todas projetadas para capturar ou refletir o calor, dependendo dos ambientes em que seriam usados.

“Com este material, tudo poderia parecer mais colorido, porque então você não estaria preocupado com o que a cor faz ao equilíbrio térmico de, dizer, um prédio, ou uma janela, ou sua roupa, "diz Svetlana Boriskina, um cientista pesquisador no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

Boriskina é autor de um estudo que hoje aparece na revista. Optical Materials Express , delineando a nova técnica de engenharia de materiais. Seus co-autores do MIT são Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, e Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia, junto com Yassine Ait El Aoud e Richard Osgood III, ambos do Centro de Soldados do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate, em Natick, Massachusetts.

Condutores de polímero

Para este trabalho, Boriskina foi inspirado nas cores vibrantes dos vitrais, que por séculos tem sido feita pela adição de partículas de metais e outros pigmentos naturais ao vidro.

"Contudo, apesar de fornecer excelente transparência visual, o vidro tem muitas limitações como material, "Boriskina observa." É volumoso, inflexível, frágil, não espalha bem o calor, e obviamente não é adequado para aplicações vestíveis. "

Ela diz que embora seja relativamente simples personalizar a cor do vidro, a resposta do material ao calor é difícil de ajustar. Por exemplo, os painéis de vidro refletem o calor da temperatura ambiente e o prendem dentro da sala. Além disso, se o vidro colorido for exposto à luz solar proveniente de uma direção específica, o calor do sol pode criar um ponto quente, que é difícil de se dissipar no vidro. Se um material como o vidro não consegue conduzir ou dissipar bem o calor, esse calor pode danificar o material.

O mesmo pode ser dito para a maioria dos plásticos, que podem ser projetados em qualquer cor, mas na maioria são absorvedores térmicos e isolantes, concentrar e reter o calor, em vez de refleti-lo.

Nos últimos anos, O laboratório de Chen está procurando maneiras de manipular a flexibilidade, materiais poliméricos leves para conduzir, ao invés de isolar, aquecer, principalmente para aplicações em eletrônica. Em trabalhos anteriores, os pesquisadores descobriram que, ao esticar cuidadosamente os polímeros como o polietileno, eles podiam mudar a estrutura interna do material de uma maneira que também mudava suas propriedades condutoras de calor.

Boriskina achou que esta técnica poderia ser útil não apenas para a fabricação de eletrônicos à base de polímeros, mas também na arquitetura e no vestuário. Ela adaptou esta técnica de fabricação de polímero, adicionando um toque de cor.

"É muito difícil desenvolver um novo material com todas essas propriedades diferentes, "ela diz." Normalmente, se você ajustar uma propriedade, o outro é destruído. Aqui, começamos com uma propriedade que foi descoberta neste grupo, e então adicionamos uma nova propriedade de forma criativa. Em conjunto, funciona como um material multifuncional. "

Pontos quentes estendidos

Para fabricar os filmes coloridos, a equipe começou com uma mistura de pó de polietileno e um solvente químico, ao qual adicionaram certas nanopartículas para dar ao filme a cor desejada. Por exemplo, para fazer filme preto, eles adicionaram partículas de silício; outro vermelho, azul, verde, e filmes amarelos foram feitos com a adição de vários corantes comerciais.

A equipe então anexou cada filme embutido em nanopartículas em um aparelho rolo-a-rolo, que eles aqueceram para amolecer o filme, tornando-o mais flexível à medida que os pesquisadores esticavam cuidadosamente o material.

À medida que estendiam cada filme, eles encontraram, sem surpresa, que o material ficou mais transparente. Eles também observaram que a estrutura microscópica do polietileno muda à medida que ele se estica. Onde normalmente as cadeias de polímero do material se assemelham a um emaranhado desorganizado, semelhante ao espaguete cozido, quando esticadas, essas correntes se endireitam, formando fibras paralelas.

Quando os pesquisadores colocaram cada amostra sob um simulador solar - uma lâmpada que imita a radiação visível e térmica do sol - eles descobriram que o filme mais esticado, mais calor ele foi capaz de dissipar. O longo, cadeias de polímero paralelas essencialmente fornecem uma rota direta ao longo da qual o calor pode viajar. Ao longo dessas cadeias, aquecer, na forma de fônons, poderia então disparar para longe de sua fonte, de uma forma "balística", evitando a formação de hotspots.

Os pesquisadores também descobriram que quanto menos esticam o material, quanto mais isolante era, aprisionando o calor, e formando pontos de acesso dentro de emaranhados de polímero.

Ao controlar o grau em que o material é esticado, Boriskina pode controlar as propriedades de condução de calor do polietileno, independentemente da cor do material. Ela também escolheu cuidadosamente as nanopartículas, não apenas por sua cor visual, mas também por suas interações com o calor radiativo invisível. Ela diz que os pesquisadores podem usar essa técnica potencialmente para produzir produtos finos, flexível, filmes de polímero coloridos, que pode conduzir ou isolar calor, dependendo da aplicação.

Daqui para frente, ela planeja lançar um site que oferece algoritmos para calcular a cor e as propriedades térmicas de um material, com base em suas dimensões e estrutura interna.

Além de filmes, seu grupo agora está trabalhando na fabricação de fio de polietileno incorporado em nanopartículas, que podem ser costurados para formar roupas leves, projetado para ser isolante, ou resfriamento.

"Isso está no fator filme agora, mas estamos trabalhando em fibras e tecidos, "Boriskina diz." O polietileno é produzido por bilhões de toneladas e pode ser reciclado, também. Não vejo nenhum impedimento significativo para a produção em grande escala. "