Исследователи создали керамику, вдохновленную самым белым насекомым в мире, которая может отражать 99,6% направленного на нее солнечного света: «почти идеальная» отражательная способность.
Прочная керамика, пригодная для вторичной переработки, может стать существенной для экономии энергии, если ее использовать для покрытия зданий в качестве пассивного охлаждающего устройства.
Чтобы разработать свой материал, исследователи изучили жука-хруща Cyphochilus — род, обитающий в Юго-Восточной Азии.
Жуки Cyphochilus — одни из самых белых насекомых в мире благодаря своей крошечным чешуйкам. Белизна чешуек вызвана тонкой неупорядоченной фотонной структурой (≈7 мкм), которая рассеивает свет всех длин волн с одинаковой эффективностью, что приводит к белому окрашиванию. В дикой природе эти жуки используют свою белизну для маскировки среди белых грибов. Но у этого жука есть еще одно преимущество для инженеров – очень высокое отражение солнечного света.
«Природа предлагает нам множество сложных конструкций, эффективных систем и устойчивых решений, которые развивались на протяжении миллионов лет», — говорит соавтор исследования, профессор Цзуанкай Ван с факультета машиностроения Гонконгского политехнического университета.
«Благодаря тщательному изучению этих природных явлений мы можем раскрыть инновационные идеи и принципы, которые можно воплотить в практическое применение».
(А) Образец жука рода Cyphochilus. (B) Изображение чешуек Cyphochilus, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (C) Изображение поперечного сечения чешуйки. (D) Световые спектры отражения света жуком с чешуйками и без них. (E и F) Рассеяние света хитином жука. Фото: Research and Innovation Office, The Hong Kong Polytechnic University.
Используя сканирующий электронный микроскоп, Ван и его коллеги обнаружили, что у экземпляра жука было 15 000 хитиновых чешуек на квадратный сантиметр экзоскелета.
Эти чешуйки каплевидной формы были сгруппированы случайным образом, образуя очень пористый экзоскелет, наполненный пузырьками воздуха.
Комбинация крошечных хитиновых чешуек и пузырьков воздуха чрезвычайно хорошо рассеивала свет.
Основываясь на этом открытии, исследователи создали керамику из оксида алюминия и некоторых полимеров на основе углерода и кремния.
Керамика имела «иерархическую пористую структуру»: повсюду были поры разного размера.
Эта структура не только позволяет керамике отражать почти весь направленный на нее солнечный свет (точнее, 99,6% солнечного света), но и придает материалу несколько полезных свойств.
Одним из них является пассивное охлаждение: поскольку он так хорошо отражает свет, то материал может охлаждать поверхности под ним.
Другой — его водоотталкивающие свойства, которые подавляют эффект Лейденфроста: образование крошечного слоя пара при попадании жидкости на горячую поверхность, что позволяет жидкости левитировать.
Эффект Лейденфроста делает охлаждение поверхностей менее эффективным при высоких температурах, но Ван опирался на предыдущие исследования, проведенные его командой, чтобы избежать этого.
«Именно эта сложная структура позволяет керамике эффективно втягивать и испарять жидкость, тем самым эффективно подавляя эффект Лейденфроста», — говорит Ван.
Водоотталкивающие свойства также делают поверхность самоочищающейся, а структура делает ее механически прочной.
(A) Как тестировалась керамика: два модельных дома с нанесенной на крышу белой охлаждающей керамикой и белой коммерческой черепицей (площадь ~1,15 м2). Во время эксперимента модели домов были установлены на расстоянии 2 м друг от друга, чтобы исключить помехи. (B) Различия в температуре воздуха на крыше и в помещении для двух моделей домов. (C) Использование электроэнергии в двух модельных домах с заданными температурами кондиционирования воздуха 25°, 23° и 20°C. (D) Показатели энергосбережения в мировом масштабе с учетом энергии, потребляемой системами охлаждения, вентиляторами и нагревательным оборудованием. Фото: Research and Innovation Office, The Hong Kong Polytechnic University.
По мнению исследователей, этот материал можно легко переработать. Они смогли измельчить его в порошок, а затем 10 раз переделать все без каких-либо потерь в производительности.
«Все эти характеристики делают его готовым к использованию в реальных условиях», — говорит Ван.
Описание керамики было опубликовано в журнале Science.
Источник: Cosmos magazine
