Les zones urbaines sans couvert arboré suffisant sont nettement plus chaudes que leur environnement. Cet effet "îlot de chaleur urbain" résulte principalement d'une absorption du rayonnement proche infrarouge (NIR) de la lumière solaire. Les pigments réfléchissants NIR qui peuvent atténuer ces effets de chauffage sont, par conséquent, hautement souhaitables.

En particulier, les pigments inorganiques fonctionnels sont un candidat attractif sur ce front. En fait, le Dr Ryohei Oka et son collègue de l'Institut de technologie de Nagoya, au Japon, ont démontré que les composés céramiques de pérovskite en couches de type A₂ BO₄ sont idéales pour refléter le NIR. Dans sa précédente étude, il a été découvert que de nouvelles pérovskites telles que l'oxyde de calcium et de manganèse additionné de titane (Ca₂ (Mn,Ti)O₄ ) les céramiques réfléchissent mieux le rayonnement NIR que les pigments noirs disponibles dans le commerce. Cependant, le mécanisme par lequel Ca₂ (Mn,Ti)O₄ réalise cet exploit remarquable reste inconnu.

Dans une étude récente publiée dans Inorganic Chemistry , le Dr Oka et son collègue, le Dr Tomokatsu Hayakawa, ont analysé la structure et la composition du Ca₂ (Mn,Ti)O₄ en utilisant une combinaison de techniques théoriques et expérimentales standard pour étudier les facteurs contribuant à sa réflectivité NIR améliorée. Cet article a été mis en ligne le 19 avril 2022 et publié dans le volume 61 numéro 17 de la revue le 2 mai 2022.

Dans leur travail, le duo a utilisé la diffraction des rayons X (XRD) et la spectroscopie Raman en combinaison avec une méthode de calcul appelée "théorie fonctionnelle de la densité" (DFT) pour extraire avec succès les détails manquants sur la structure cristalline et les états électroniques de Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . "Peu d'études jusqu'à présent ont mené une spectroscopie Raman de Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . De plus, ils n'ont fourni aucun détail sur ses modes vibratoires. Cependant, les informations sur ses états électroniques et ses modes de vibration sont cruciales pour comprendre comment ces pérovskites se révèlent être d'aussi bons réflecteurs NIR", explique le Dr Oka, expliquant la motivation derrière leur approche.

Le duo a analysé la structure cristalline de l'oxyde de calcium et de manganèse (Ca₂ MnO₄ ) et suivi les changements structurels qui se sont produits avec l'ajout d'impuretés de Ti. De plus, ils ont identifié comment les liaisons chimiques au sein de la pérovskite sont modifiées lors de l'introduction d'impuretés de Ti. Ils ont constaté que, par rapport au Ca₂ MnO₄ , Ca₂ (Mn,Ti)O₄ présentait un pic Raman supplémentaire qui était probablement dû à l'activation d'un "mode silencieux" provoqué par les impuretés de Ti. Cependant, les modèles XRD de Ca₂ MnO₄ et Ca₂ (Mn,Ti)O₄ étaient identiques. Le duo a attribué cela à la corrélation Ti-Ti à une certaine distance.

Un autre point fort de leur étude était l'accord frappant entre les résultats de calcul de la DFT et les données expérimentales. Les écarts d'énergie obtenus à partir des trois modèles pour Ca₂ (Mn,Ti)O₄ utilisés par le duo dans leurs calculs en accord les uns avec les autres ainsi que la valeur expérimentale. De plus, le résultat était indépendant de la substitution du Ti ou de sa position dans le cristal. De plus, les calculs ont révélé que la réflectivité NIR améliorée lors de l'ajout d'ions Ti résultait d'une diminution de la "densité d'états" (le nombre d'états électroniques par unité de volume par unité d'énergie) près du niveau de Fermi (le niveau d'énergie le plus élevé qu'un électron peut occuper à température zéro absolu).

Ces découvertes nous rapprochent de la révélation de la propriété de protection thermique des céramiques pérovskites. La combinaison parfaite des approches expérimentales et théoriques développées dans cette étude fournit une recette générale pour comprendre la structure et les propriétés non seulement de A₂ BO₄ céramiques de type perovskite mais une gamme de céramiques complexes de pérovskite. Comme le dit le Dr Oka, "Cette approche combinatoire est applicable à une large gamme de céramiques cristallines fonctionnalisées pour mieux comprendre leurs propriétés optiques, électroniques et magnétiques avec des modèles structurels plus fiables obtenus par calcul."

En effet, la compréhension détaillée du mécanisme de réflexion NIR amélioré serait extrêmement bénéfique car les pigments inorganiques trouvent plus d'applications en tant que revêtements thermiques supérieurs pour les bâtiments urbains. + Explorer plus loin

Sonder les processus et la dynamique cruciaux de transfert de porteurs de charge dans les couches actives de pérovskite