Avec la hausse des températures et les vagues de chaleur qui perturbent des vies partout dans le monde, les solutions de refroidissement deviennent de plus en plus indispensables. Il s'agit d'un problème critique, en particulier dans les pays en développement, où la chaleur estivale peut être extrême et devrait s'intensifier. Mais les méthodes de refroidissement courantes telles que les climatiseurs sont chères, consommer des quantités importantes d'énergie, nécessitent un accès facile à l'électricité, et nécessitent souvent des liquides de refroidissement qui appauvrissent la couche d'ozone ou ont un fort effet de serre.

Une alternative à ces méthodes de refroidissement énergivores est le refroidissement radiatif diurne passif (PDRC), un phénomène où une surface se refroidit spontanément en réfléchissant la lumière du soleil et en rayonnant de la chaleur vers l'atmosphère plus froide. PDRC est plus efficace si une surface a une réflectance solaire élevée (R) qui minimise le gain de chaleur solaire, et un haut, l'émissivité thermique (ε) qui maximise la perte de chaleur radiative vers le ciel. Si R et sont suffisamment élevés, une perte nette de chaleur peut se produire, même sous le soleil.

Développer des conceptions pratiques de PDRC a été difficile :de nombreuses propositions de conception récentes sont complexes ou coûteuses, et ne peut pas être largement mis en œuvre ou appliqué sur les toits et les bâtiments, qui ont des formes et des textures différentes. Jusqu'à maintenant, peintures blanches, qui sont peu coûteux et faciles à appliquer, ont été la référence pour le PDRC. Peintures blanches, cependant, ont généralement des pigments qui absorbent la lumière UV, et ne réfléchissent pas très bien les longueurs d'onde solaires plus longues, leur performance n'est donc au mieux que modeste.

Des chercheurs de Columbia Engineering ont inventé un revêtement extérieur en polymère PDRC haute performance avec des vides d'air à l'échelle nanométrique à microscopique qui agit comme un refroidisseur d'air spontané et peut être fabriqué, teint, et appliqué comme de la peinture sur les toits, immeubles, réservoirs d'eau, Véhicules, même un vaisseau spatial, tout ce qui peut être peint. Ils ont utilisé une technique d'inversion de phase basée sur une solution qui donne au polymère une structure poreuse semblable à une mousse. Les vides d'air dans le polymère poreux se dispersent et réfléchissent la lumière du soleil, en raison de la différence d'indice de réfraction entre les vides d'air et le polymère environnant. Le polymère blanchit et évite ainsi le chauffage solaire, tandis que son émittance intrinsèque lui fait perdre efficacement de la chaleur vers le ciel. L'étude est publiée en ligne aujourd'hui dans Science .

L'équipe—Yuan Yang, professeur adjoint de science et ingénierie des matériaux; Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée; et Jyotirmoy Mandal, auteur principal de l'étude et doctorant dans le groupe de Yang (tout le département de physique appliquée et de mathématiques appliquées) - construit sur des travaux antérieurs qui ont démontré que les plastiques et polymères simples, y compris l'acrylique, silicone, et PET, sont d'excellents radiateurs thermiques et pourraient être utilisés pour le PDRC. Les défis étaient de savoir comment faire en sorte que ces polymères normalement transparents reflètent la lumière du soleil sans utiliser de miroirs argentés comme réflecteurs et comment les rendre facilement déployables.

Ils ont décidé d'utiliser l'inversion de phase car il s'agit d'une méthode simple, méthode basée sur des solutions pour créer des vides d'air diffusant la lumière dans les polymères. Les polymères et solvants sont déjà utilisés dans les peintures, et la méthode Columbia Engineering remplace essentiellement les pigments de la peinture blanche par des vides d'air qui reflètent toutes les longueurs d'onde de la lumière du soleil, de l'UV à l'infrarouge.

"Cette modification simple mais fondamentale produit des valeurs R et exceptionnelles qui égalent ou dépassent celles des conceptions PDRC de pointe, mais avec une commodité qui ressemble presque à de la peinture, " dit Mandal.

Les chercheurs ont découvert que la réflectance solaire élevée de leur revêtement polymère (R> 96%) et une émittance thermique élevée (ε ~ ​​97%) le maintenaient significativement plus frais que son environnement sous des cieux très différents, par exemple. par 6 C au chaud, désert aride en Arizona et 3 C dans le brouillard, environnement tropical du Bangladesh. « Le fait que le refroidissement soit obtenu dans les climats désertiques et tropicaux, sans aucune protection thermique ni blindage, démontre l'utilité de notre conception partout où le refroidissement est requis, " note Yang.

L'équipe a également créé des revêtements polymères colorés avec des capacités de refroidissement en ajoutant des colorants. « Atteindre un équilibre supérieur entre la couleur et les performances de refroidissement par rapport aux peintures actuelles est l'un des aspects les plus importants de notre travail, » note Yu. « Pour les revêtements extérieurs, le choix de la couleur est souvent subjectif, et les fabricants de peinture ont essayé de faire des revêtements colorés, comme ceux des toits, depuis des décennies."

Le groupe a pris en charge les enjeux environnementaux et opérationnels, comme la recyclabilité, bio-compatibilité, et l'opérabilité à haute température, en considération, et ont montré que leur technique peut être généralisée à une gamme de polymères pour atteindre ces fonctionnalités. "Les polymères sont une classe de matériaux étonnamment diversifiée, et parce que cette technique est générique, des propriétés souhaitables supplémentaires peuvent être facilement intégrées dans nos revêtements PDRC, si des polymères appropriés sont disponibles, ", ajoute Mandal.

"La nature offre de nombreuses façons de se chauffer et de se rafraîchir, dont certains sont extrêmement bien connus et largement étudiés et d'autres qui sont mal connus. Le refroidissement radiatif - en utilisant le ciel comme dissipateur thermique - appartient à ce dernier groupe, et son potentiel a été étrangement négligé par les scientifiques des matériaux jusqu'à il y a quelques années, " déclare Claes-Göran Granqvist, professeur de physique à l'Université d'Uppsala, pionnier dans le domaine du refroidissement radiatif, qui n'a pas participé à l'étude. "La publication de Mandal et al. met en évidence l'importance du refroidissement radiatif et représente une avancée importante en démontrant que les revêtements polymères hiérarchiquement poreux, qui peut être préparé à moindre coût et commodément, donnent un excellent refroidissement même en plein soleil."

Yang, Yu, et Mandal affinent leur conception en termes d'applicabilité, tout en explorant des possibilités telles que l'utilisation de polymères et de solvants totalement biocompatibles. Ils sont en pourparlers avec l'industrie au sujet des prochaines étapes.

« Le moment est venu de développer des solutions prometteuses pour une humanité durable, " note Yang, "Cette année, nous avons été témoins de vagues de chaleur et de températures record en Amérique du Nord, L'Europe , Asie, et l'Australie. Il est essentiel que nous trouvions des solutions à ce défi climatique, et nous sommes très enthousiastes à l'idée de travailler sur cette nouvelle technologie qui y répond."

Yu ajoute qu'il pensait que le blanc était la couleur la plus inaccessible :"Quand j'ai étudié la peinture à l'aquarelle il y a des années, les peintures blanches étaient les plus chères. Le blanc Cremnitz ou blanc de plomb était le choix des grands maîtres, dont Rembrandt et Lucian Freud. Nous avons maintenant démontré que le blanc est en fait la couleur la plus réalisable. Il peut être réalisé en utilisant rien de plus que des vides d'air correctement dimensionnés noyés dans un support transparent. Les vides d'air sont ce qui rend la neige blanche et les fourmis argentées sahariennes argentées."

L'étude s'intitule "Revêtements polymères à porosité hiérarchique pour un refroidissement radiatif passif diurne hautement efficace".