Les revêtements polymères poreux, qui passent du blanc au transparent lorsqu'il est mouillé, peut être placé dans des boîtiers en plastique pour fabriquer des panneaux qui contrôlent la lumière et la température des bâtiments. Crédit :Jyotirmoy Mandal/Columbia Engineering
Les bâtiments consacrent plus de 30% de leur consommation énergétique au chauffage, refroidissement, et systèmes d'éclairage. Les conceptions passives telles que les peintures de toit froides ont grandement contribué à réduire cette utilisation, et son impact sur l'environnement et le climat, mais ils ont une limitation clé - ils sont généralement statiques, et donc insensible aux changements quotidiens ou saisonniers.
Les chercheurs de Columbia Engineering ont développé des revêtements polymères poreux (PPC) qui permettent des moyens peu coûteux et évolutifs de contrôler la lumière et la chaleur dans les bâtiments. Ils ont profité de la commutation optique des PPC dans les longueurs d'onde solaires pour réguler le chauffage solaire et l'éclairage naturel, et étendu le concept aux longueurs d'onde infrarouges thermiques pour moduler la chaleur rayonnée par les objets. Leurs travaux sont publiés le 21 octobre 2019 par Joule .
"Notre travail montre qu'en mouillant les PPC avec des liquides courants comme des alcools ou de l'eau, on peut inverser de façon réversible leur transmittance optique dans les longueurs d'onde solaire et thermique, " dit Jyotirmoy Mandal, auteur principal de l'étude et ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Yuan Yang, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux. "En mettant ces PPC dans des panneaux creux en plastique ou en verre, nous pouvons fabriquer des enveloppes de bâtiment qui peuvent réguler les températures intérieures et la lumière."
La conception de l'équipe est similaire aux fenêtres intelligentes, mais avec une commutation optique plus élevée, et est construit en utilisant plus simple, des matériaux peu coûteux qui pourraient le rendre applicable à grande échelle. Il s'appuie sur des travaux antérieurs qui ont démontré un revêtement de polymère fluoré semblable à une peinture avec des vides d'air à l'échelle nanométrique à microscopique qui peuvent refroidir les bâtiments. Ce revêtement était statique, toutefois. "Dans des endroits comme New York, qui voit des étés chauds et des hivers rigoureux, les conceptions qui peuvent basculer entre les modes de chauffage et de refroidissement peuvent être plus utiles, " dit Yang.
L'équipe a commencé son travail sur la commutation optique des PPC par hasard, lorsque Mandal a remarqué que quelques gouttes d'alcool renversées sur un PPC en fluoropolymère blanc le rendaient transparent. "Ce que nous avons vu, c'est le même mécanisme qui fait que le papier devient translucide lorsqu'il est mouillé, mais à un niveau quasi optimal, " dit Mandal. " La physique de ceci a déjà été explorée, mais le changement drastique que nous avons vu nous a conduit à explorer ce cas particulier, et comment il peut être utilisé."
Un matériau poreux comme le papier apparaît blanc car l'air dans les pores a un indice de réfraction (~1) différent de celui du matériau poreux (~1,5), les faisant disperser et réfléchir la lumière. Lorsqu'il est mouillé par l'eau, qui a un indice de réfraction (~1.33) plus proche du matériau, la diffusion est réduite et plus de lumière passe, le rendant translucide. La transmission augmente lorsque les indices de réfraction sont étroitement appariés. Les chercheurs ont découvert que leur fluoropolymère (~ 1,4) et les alcools typiques (~ 1,38) ont des indices de réfraction très proches.
« Alors, lorsqu'il est mouillé, le polymère poreux devient optiquement homogène, " dit Yang. " La lumière n'est plus dispersée, et traverse—un peu comme il le ferait à travers du verre solide—le polymère poreux devient transparent."
Les chercheurs ont démontré que les toits à base de PPC, qui peut basculer entre les états réfléchissant et transmissif, peut être utilisé pour contrôler les températures intérieures des bâtiments. Crédit :Jyotirmoy Mandal/Mingxin Jia/Columbia Engineering
En raison de la correspondance presque parfaite des indices de réfraction des alcools et du polymère fluoré, l'équipe pourrait modifier la transmission solaire de leurs PPC d'environ 74 % ; pour la partie visible de la lumière solaire, le changement était d'environ 80%. Bien que la commutation soit plus lente que dans les fenêtres intelligentes typiques, les changements de transmittance sont considérablement plus élevés, rendant les PPC attrayants pour contrôler la lumière du jour dans les bâtiments.
Les chercheurs ont également étudié comment la commutation optique pouvait être utilisée pour la thermorégulation. « On a imaginé des toits blancs l'été pour garder les bâtiments au frais, et noircir pendant l'hiver pour les chauffer, " dit Yang, "Cela peut réduire considérablement les coûts de climatisation et de chauffage des bâtiments".
Pour tester leur idée, les chercheurs ont placé des panneaux contenant des PPC sur des maisons-jouets aux toits noirs. Un panneau était sec et réfléchissant, tandis que l'autre était humide et translucide, montrant le toit noir en dessous. Sous le soleil d'un midi d'été, le toit blanc est devenu plus froid que l'air ambiant de ~3C/5F, tandis que le noir est devenu beaucoup plus chaud, par ~21C/38F.
L'équipe a également exploré la commutation dans les longueurs d'onde de l'infrarouge thermique, et a observé une nouvelle commutation entre les états « glacière » et « à effet de serre » en mouillant des PPC en polyéthylène transparent aux infrarouges. Une fois sec, les PPC en polyéthylène poreux réfléchissent la lumière du soleil mais transmettent la chaleur rayonnée, se comporter comme une « glacière ». Mouiller les PPC les fait transmettre la lumière du soleil, et, parce que les liquides typiques absorbent les longueurs d'onde thermiques, bloquer la chaleur rayonnée, comme une serre. Parce qu'ils modulent à la fois le rayonnement solaire et thermique, ils peuvent réguler la chaleur pendant le jour et la nuit.
"Bien qu'obtenu simplement, la transition est assez inhabituelle par rapport à la commutation dans d'autres systèmes optiques, et c'est peut-être la première fois que cela est signalé, " dit Mandal.
L'équipe de Yang a également testé d'autres applications potentielles, comme le camouflage thermique et les peintures qui réagissent à la pluie. Ce dernier pourrait être utilisé pour refroidir ou chauffer des bâtiments dans les zones climatiques méditerranéennes et la côte californienne, qui connaissent des étés secs et des hivers pluvieux. Les chercheurs cherchent maintenant des moyens d'étendre leurs conceptions, et explorer les possibilités de les déployer et de les tester à grande échelle.
"Compte tenu de l'évolutivité et des performances des conceptions basées sur PPC, nous espérons que leurs applications seront largement répandues, " dit Yang, "en particulier, nous sommes enthousiasmés par leurs applications potentielles sur les façades des bâtiments".
Mandal, qui fait maintenant des recherches postdoctorales en tant que Schmidt Science Fellow à l'Université de Californie, Los Angeles, ajoute, "Nous avons délibérément choisi des polymères couramment disponibles et des conceptions simples pour notre travail. L'objectif est de les rendre localement manufacturables et implémentables dans les pays en développement, là où ils auraient le plus d'impact."
L'étude s'intitule "Porous Polymers with Switchable Optical Transmittance for Optical and Thermal Regulation".
