Os edifícios dedicam mais de 30% de seu uso de energia ao aquecimento, resfriamento, e sistemas de iluminação. Projetos passivos, como tintas frias para telhados, contribuíram muito para reduzir esse uso, e seu impacto no meio ambiente e no clima, mas eles têm uma limitação fundamental - eles geralmente são estáticos, e, portanto, não responde às mudanças diárias ou sazonais.

Os pesquisadores da Columbia Engineering desenvolveram revestimentos de polímero poroso (PPCs) que permitem maneiras econômicas e escaláveis ​​de controlar a luz e o calor em edifícios. Eles aproveitaram a comutação óptica dos PPCs nos comprimentos de onda solares para regular o aquecimento solar e a iluminação natural, e estendeu o conceito para comprimentos de onda infravermelhos térmicos para modular o calor irradiado por objetos. Seu trabalho é publicado em 21 de outubro, 2019 por Joule .

"Nosso trabalho mostra que ao molhar os PPCs com líquidos comuns como álcoois ou água, podemos mudar reversivelmente sua transmitância óptica nos comprimentos de onda solar e térmico, "diz Jyotirmoy Mandal, autor principal do estudo e ex-Ph.D. estudante no laboratório de Yuan Yang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais. "Ao colocar esses PPCs em painéis ocos de plástico ou vidro, podemos fazer envelopes de construção que podem regular a luz e a temperatura interna. "

O design da equipe é semelhante ao de janelas inteligentes, mas com uma maior comutação óptica, e é construído usando mais simples, materiais baratos que poderiam torná-lo implementável em larga escala. Ele se baseia em trabalhos anteriores que demonstraram um revestimento de fluoropolímero semelhante a tinta com vazios de ar de nano a microescala que podem resfriar edifícios. Esse revestimento era estático, Contudo. "Em lugares como Nova York, que vê verões quentes e invernos rigorosos, projetos que podem alternar entre os modos de aquecimento e resfriamento podem ser mais úteis, "diz Yang.

A equipe começou seu trabalho na troca óptica de PPCs por acaso, quando Mandal percebeu que algumas gotas de álcool derramadas em um fluoropolímero branco PPC o tornaram transparente. "O que vimos foi o mesmo mecanismo que faz com que o papel fique translúcido quando molhado, mas em um nível quase ótimo, "diz Mandal." A física disso foi explorada anteriormente, mas a mudança drástica que vimos nos levou a explorar este caso específico, e como ele pode ser usado. "

Um material poroso como o papel parece branco porque o ar nos poros tem um índice de refração diferente (~ 1) daquele do material poroso (~ 1,5), fazendo com que eles se espalhem e reflitam a luz. Quando molhado pela água, que tem um índice de refração (~ 1,33) mais próximo do material, a dispersão é reduzida e mais luz passa, tornando-o translúcido. A transmissão aumenta quando os índices de refração estão intimamente relacionados. Os pesquisadores descobriram que seu fluoropolímero (~ 1,4) e álcoois típicos (~ 1,38) têm índices de refração muito próximos.

"Então, quando molhado, o polímero poroso se torna opticamente homogêneo, "diz Yang." A luz não está mais espalhada, e passa através - da mesma forma que através do vidro sólido - o polímero poroso se torna transparente. "

Por causa da combinação quase perfeita de índice de refração de álcoois e o fluoropolímero, a equipe poderia alterar a transmitância solar de seus PPCs em ~ 74%; para a parte visível da luz do sol, a mudança foi de aproximadamente 80%. Embora a troca seja mais lenta do que em janelas inteligentes típicas, as mudanças de transmitância são consideravelmente maiores, tornando PPCs atraentes para controlar a luz do dia em edifícios.

Os pesquisadores também investigaram como a comutação óptica pode ser usada para termorregulação. "Imaginamos telhados que são brancos durante o verão para manter os edifícios frescos, e ficam pretos durante o inverno para aquecê-los, "diz Yang, "Isso pode reduzir muito os custos de ar condicionado e aquecimento dos edifícios".

Para testar a ideia deles, os pesquisadores colocaram painéis contendo PPCs em casas de brinquedo com telhados pretos. Um painel estava seco e reflexivo, enquanto o outro estava molhado e translúcido, mostrando o telhado preto embaixo. Sob a luz do sol em um meio-dia de verão, o telhado branco ficou mais frio do que o ar ambiente em ~ 3C / 5F, enquanto o preto ficou muito mais quente, por ~ 21C / 38F.

A equipe também explorou a comutação nos comprimentos de onda do infravermelho térmico, e observaram uma nova mudança entre os estados de "casa de gelo" e "estufa" molhando PPCs de polietileno transparente infravermelho. Quando seco, os PPCs de polietileno poroso refletem a luz solar, mas transmitem o calor irradiado, comportando-se como uma "casa de gelo". Umedecer os PPCs faz com que eles transmitam a luz solar, e, porque os líquidos típicos absorvem comprimentos de onda térmicos, bloquear o calor irradiado, como uma estufa. Porque eles modulam a radiação solar e térmica, eles podem regular o calor durante o dia e a noite.

"Embora obtido de forma simples, a transição é bastante incomum em comparação com a comutação em outros sistemas ópticos, e talvez seja a primeira vez que foi relatado, "diz Mandal.

A equipe de Yang também testou outras aplicações potenciais, como camuflagem térmica e tintas que respondem à chuva. Este último poderia ser usado para resfriar ou aquecer edifícios em zonas climáticas mediterrâneas e na costa da Califórnia, que vê verões secos e invernos chuvosos. Os pesquisadores agora estão procurando maneiras de aumentar seus projetos, e explorar oportunidades para implantá-los e testá-los em grande escala.

"Dada a escalabilidade e desempenho dos projetos baseados em PPC, temos esperança de que suas aplicações sejam amplamente difundidas, "diz Yang, "em particular, estamos entusiasmados com suas aplicações potenciais em fachadas de edifícios ".

Mandal, que agora está fazendo pesquisa de pós-doutorado como Schmidt Science Fellow na University of California, Los Angeles, adiciona, "Escolhemos deliberadamente polímeros comumente disponíveis e designs simples para nosso trabalho. O objetivo é torná-los fabricáveis ​​localmente e implementáveis ​​em países em desenvolvimento, onde eles teriam o maior impacto. "

O estudo é intitulado "Polímeros porosos com transmitância óptica comutável para regulação óptica e térmica".