La couleur d'un matériau peut souvent vous dire quelque chose sur la façon dont il gère la chaleur. Pensez à porter une chemise noire un jour d'été étouffant - plus le pigment est foncé, plus vous êtes susceptible de vous sentir chaud. De même, plus une vitre est transparente, plus il laisse passer de chaleur. Les réponses d'un matériau aux rayonnements visible et infrarouge sont souvent naturellement liées.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont fabriqué des échantillons de solides, matériau polymère semblable à du tissu, dont ils peuvent adapter la couleur et les propriétés thermiques indépendamment l'un de l'autre. Par exemple, ils ont fabriqué des échantillons de film noir très mince conçu pour refléter la chaleur et rester frais. Ils ont également réalisé des films présentant un arc-en-ciel d'autres couleurs, chacun étant conçu pour réfléchir ou absorber le rayonnement infrarouge, quelle que soit la façon dont ils réagissent à la lumière visible.

Les chercheurs peuvent ajuster spécifiquement la couleur et les propriétés thermiques de ce nouveau matériau pour répondre aux exigences d'une multitude d'applications de grande envergure, y compris coloré, façades de bâtiments réfléchissant la chaleur, les fenêtres, et toits; absorbant la lumière, couvertures dissipatrices de chaleur pour panneaux solaires; et tissu léger pour les vêtements, vêtements d'extérieur, tentes, et sacs à dos, tous conçus pour piéger ou refléter la chaleur, selon les environnements dans lesquels ils seraient utilisés.

"Avec ce matériel, tout pourrait paraître plus coloré, parce qu'alors vous ne seriez pas concerné par ce que la couleur fait à l'équilibre thermique de, dire, un bâtiment, ou une fenêtre, ou vos vêtements, " dit Svetlana Boriskina, chercheur au département de génie mécanique du MIT.

Boriskina est auteur d'une étude qui paraît aujourd'hui dans la revue Matériaux optiques Express , décrivant la nouvelle technique d'ingénierie des matériaux. Ses co-auteurs du MIT sont Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, et Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique, avec Yassine Ait El Aoud et Richard Osgood III, à la fois du Combat Capabilities Development Command Soldier Center, à Natick, Massachusetts.

Conducteurs polymères

Pour ce travail, Boriskina s'est inspirée des couleurs vives des vitraux, qui pendant des siècles ont été fabriqués en ajoutant des particules de métaux et d'autres pigments naturels au verre.

"Toutefois, malgré une excellente transparence visuelle, le verre a de nombreuses limitations en tant que matériau, " note Boriskina. " C'est volumineux, inflexible, fragile, ne diffuse pas bien la chaleur, et n'est évidemment pas adapté aux applications portables."

Elle dit que bien qu'il soit relativement simple d'adapter la couleur du verre, la réponse du matériau à la chaleur est difficile à régler. Par exemple, les panneaux de verre réfléchissent la chaleur à température ambiante et la piègent à l'intérieur de la pièce. Par ailleurs, si le verre coloré est exposé à la lumière du soleil provenant d'une direction particulière, la chaleur du soleil peut créer un point chaud, qui est difficile à dissiper dans le verre. Si un matériau comme le verre ne peut pas bien conduire ou dissiper la chaleur, cette chaleur pourrait endommager le matériau.

La même chose peut être dite pour la plupart des plastiques, qui peuvent être conçus dans n'importe quelle couleur mais pour la plupart sont des absorbeurs thermiques et des isolants, concentrer et piéger la chaleur plutôt que de la refléter.

Depuis plusieurs années, Le laboratoire de Chen a cherché des moyens de manipuler flexible, matériaux polymères légers à conduire, plutôt que d'isoler, Chauffer, principalement pour des applications en électronique. Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont découvert qu'en étirant soigneusement des polymères comme le polyéthylène, ils pourraient modifier la structure interne du matériau d'une manière qui modifie également ses propriétés de conduction thermique.

Boriskina pensait que cette technique pourrait être utile non seulement pour la fabrication d'électronique à base de polymère, mais aussi dans l'architecture et l'habillement. Elle a adapté cette technique de fabrication de polymères, ajoutant une touche de couleur.

"Il est très difficile de développer un nouveau matériau avec toutes ces propriétés différentes, " dit-elle. " Habituellement, si vous accordez une propriété, l'autre est détruit. Ici, nous avons commencé avec une propriété qui a été découverte dans ce groupe, puis nous avons ajouté une nouvelle propriété de manière créative. Dans l'ensemble, il fonctionne comme un matériau multifonctionnel."

Les points chauds s'étendent

Pour fabriquer les films colorés, l'équipe a commencé avec un mélange de poudre de polyéthylène et d'un solvant chimique, auxquels ils ont ajouté certaines nanoparticules pour donner au film une couleur désirée. Par exemple, faire du film noir, ils ont ajouté des particules de silicium; autre rouge, bleu, vert, et des films jaunes ont été réalisés avec l'ajout de divers colorants commerciaux.

L'équipe a ensuite fixé chaque film incrusté de nanoparticules sur un appareil roll-to-roll, qu'ils réchauffaient pour ramollir le film, le rendant plus souple alors que les chercheurs ont soigneusement étiré le matériau.

En étirant chaque film, ils ont trouvé, sans surprise, que le matériau est devenu plus transparent. Ils ont également observé que la structure microscopique du polyéthylène changeait à mesure qu'il s'étirait. Là où normalement les chaînes polymères du matériau ressemblent à un enchevêtrement désorganisé, semblable à des spaghettis cuits, une fois étirées, ces chaînes se redressent, formant des fibres parallèles.

Lorsque les chercheurs ont placé chaque échantillon sous un simulateur solaire - une lampe qui imite le rayonnement visible et thermique du soleil - ils ont trouvé le film le plus étiré, plus il était capable de dissiper de la chaleur. Le long, les chaînes polymères parallèles fournissaient essentiellement une route directe le long de laquelle la chaleur pouvait se déplacer. Le long de ces chaînes, Chauffer, sous forme de phonons, pourrait alors tirer loin de sa source, de façon "balistique", éviter la formation de points chauds.

Les chercheurs ont également découvert que moins ils étiraient le matériau, plus c'était isolant, piégeant la chaleur, et former des points chauds dans des enchevêtrements de polymères.

En contrôlant le degré d'étirement du matériau, Boriskina pourrait contrôler les propriétés de conduction thermique du polyéthylène, quelle que soit la couleur du matériau. Elle a aussi soigneusement choisi les nanoparticules, pas seulement par leur couleur visuelle, mais aussi par leurs interactions avec la chaleur radiative invisible. Elle dit que les chercheurs peuvent potentiellement utiliser cette technique pour produire des souple, films polymères colorés, pouvant conduire ou isoler la chaleur, selon l'application.

Aller de l'avant, elle envisage de lancer un site internet qui propose des algorithmes pour calculer la couleur et les propriétés thermiques d'un matériau, en fonction de ses dimensions et de sa structure interne.

En plus des films, son groupe travaille désormais à la fabrication de fils de polyéthylène incrustés de nanoparticules, qui peuvent être cousus ensemble pour former des vêtements légers, conçu pour être soit isolant, ou refroidissement.

"C'est dans le facteur film maintenant, mais nous le transformons en fibres et en tissus, " dit Boriskina. " Le polyéthylène est produit par milliards de tonnes et pourrait être recyclé, trop. Je ne vois pas d'obstacles significatifs à la production à grande échelle."