Qingchen Shen
L’été est presque là, apportant des températures plus élevées et incitant beaucoup d’entre nous à augmenter la climatisation les jours particulièrement chauds. L’inconvénient de la climatisation est que les unités engloutissent de l’énergie et peuvent émettre des gaz à effet de serre, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Par conséquent, il y a un fort intérêt à proposer des alternatives respectueuses de l’environnement. Scientifiques de l’Université de Cambridge a développé un nouveau film innovant à base de plantes qui se refroidit lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, ce qui le rend idéal pour refroidir les bâtiments ou les voitures à l’avenir sans avoir besoin d’une source d’alimentation externe. Ils ont décrit leur travail lors d’une récente réunion de l’American Chemical Society.
Le terme technique pour cette approche est le refroidissement radiatif diurne passif (PDRC), ainsi nommé parce qu’il ne nécessite pas d’injection d’énergie dans le système pour disperser la chaleur. La surface émet sa propre chaleur dans l’espace sans être absorbée par l’air ou l’atmosphère, devenant ainsi plusieurs degrés plus froide que l’air ambiant sans avoir besoin d’énergie électrique.
“Nous savons qu’il y a un transfert thermique spontané entre des objets à des températures différentes”, Qingchen Shen a dit lors d’une conférence de presse pendant la réunion. Leur technologie de refroidissement exploite ce transfert thermique, avec une torsion. La plupart des matériaux PDRC (peintures, films, etc.) sont blancs ou ont une finition miroir, pour obtenir une réflexion à large bande de la lumière du soleil. Les pigments ou les colorants interfèrent avec cela car ils absorbent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière et ne reflètent que certaines couleurs, transformant ainsi l’énergie de la lumière en chaleur. Les films créés par Shen et al. sont colorés, mais il s’agit d’une couleur structurelle sous forme de nanocristaux, non due à l’ajout de pigments ou de colorants. Ainsi, la couleur peut être ajoutée sans sacrifier l’efficacité du refroidissement passif.
Comme Signalé précédemmentles couleurs vives et irisées de ailes de papillon, bulles de savonou coquilles de coléoptèrespar exemple, ne proviennent d’aucune molécule de pigment mais de la façon dont les ailes sont structurées – un exemple naturel de ce que les physiciens appellent cristaux photoniques. Dans la nature, les écailles de chitine (un polysaccharide commun aux insectes) sont disposées comme des tuiles. Essentiellement, ils forment un réseau de diffraction, sauf que les cristaux photoniques ne produisent que des couleurs ou des longueurs d’onde spécifiques de la lumière, tandis qu’un réseau de diffraction produira le spectre entier, un peu comme un prisme. Aussi connus sous le nom de matériaux à bande interdite photonique, les cristaux photoniques sont “accordables”, ce qui signifie qu’ils sont précisément ordonnés pour bloquer certaines longueurs d’onde de lumière tout en laissant passer d’autres. Modifiez la structure en changeant la taille des tuiles, et les cristaux deviennent sensibles à une longueur d’onde différente.
Les scientifiques peuvent fabriquer leurs propres matériaux colorés structuraux en laboratoire, mais il peut être difficile d’étendre le processus pour des applications commerciales sans sacrifier la précision optique. Ainsi, la création de couleurs structurelles comme celles que l’on trouve dans la nature est un domaine actif de la recherche sur les matériaux.
Par exemple, l’année dernière, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont adapté une technique de photographie holographique du XIXe siècle inventée par le physicien Gabriel Lippmann. développer films de type caméléon qui changent de couleur lorsqu’ils sont étirés. Les films seraient idéaux pour fabriquer des bandages qui changent de couleur en réponse à la pression, permettant aux professionnels de la santé de savoir s’ils enveloppent une plaie trop étroitement, un facteur important lors du traitement d’affections telles que les ulcères veineux, les escarres, le lymphœdème et les cicatrices. Les enfants adoreraient porter des bandages qui changent de couleur, ce qui serait une aubaine pour les pédiatres. Et être capable de fabriquer de grandes feuilles de matériau ouvre des applications dans l’habillement et les vêtements de sport.
Un bon matériau PDRC doit rester plus frais que l’air qui l’entoure pendant la journée, ce qui signifie qu’il doit réfléchir beaucoup de lumière solaire sans l’absorber. Shen et ses acolytes ont décidé de travailler avec des matériaux à base de plantes pour leurs films irisés à refroidissement passif, en particulier la cellulose. “La cellulose est le polymère le plus abondant dans la nature”, a déclaré Shen à propos de leur choix de matériau. “Vous pouvez facilement trouver la cellulose dans le bois ou le coton. En tant que matériau naturel, la cellulose est durable et biocompatible. Et elle n’absorbe presque pas l’énergie solaire et a une émissivité thermique très élevée dans la bande infrarouge. Ces propriétés sont essentielles pour atteindre refroidissement radiatif.”
L’astuce consiste à utiliser deux couches distinctes avec des fonctions différentes. Une couche est composée de nanocristaux de cellulose, qui peuvent être extraits de sources renouvelables comme le bois, par Shen. Une fois extraits, les nanocristaux sont dispersés dans l’eau et, à mesure que l’eau s’évapore, les nanocristaux s’auto-assemblent en une structure cristalline photonique. Ainsi, le film résultant reflétera la lumière visible à des longueurs d’onde spécifiques pour obtenir ces couleurs esthétiques – dans ce cas, le vert clair et le bleu, bien que Shen ait déclaré que l’on pouvait ajuster la suspension de nanocristaux de cellulose pour obtenir d’autres couleurs comme le rouge.
La deuxième couche est constituée d’éthylcellulose poreuse, qui sert à diffuser toute lumière qui parvient à pénétrer la couche de nanocristal de cellulose. Entre les deux couches, on obtient à la fois la couleur et les propriétés de réflexion solaire à large bande requises pour le PDRC. Quand Shen et al. ont mesuré les performances de leurs films colorés sous la lumière du soleil, ils ont constaté que les films étaient près de 40 ° F plus froids que l’air ambiant et qu’un mètre carré de film générait environ 120 watts de puissance de refroidissement, comparable à une unité de climatisation domestique moyenne.
Les chercheurs sont convaincus que leur processus de fabrication peut être suffisamment étendu pour des applications commerciales ; ils peuvent déjà les fabriquer sur plusieurs mètres à la fois en utilisant une ligne de fabrication standard. En plus d’être utilisés pour refroidir passivement les bâtiments et les voitures – la disponibilité des couleurs rendrait les films particulièrement attrayants pour l’industrie automobile, selon Shen – les films pourraient être adaptés en tant que capteurs pour détecter les changements dans les conditions météorologiques ou les niveaux de pollution. L’équipe expérimente également l’ajout de texture à la couche d’éthylcellulose de leurs films, comme celle trouvée dans différents types de finitions en bois, ce qui pourrait les rendre plus attrayants pour une utilisation dans les maisons ou d’autres bâtiments.
