Nano-nuvens de engenharia que podem mudar de cor, temperatura e sensores de calor de saída

Como uma nuvem permanece authorized sob a luz photo voltaic direta – ou parece desaparecer no infravermelho? Na natureza, fenômenos como nuvens de cumulus brancas, sistemas de tempestade cinza e até os cabelos ocos dos ursos polares oferecem lições notáveis ​​sobre a temperatura, a cor e a invisibilidade do equilíbrio. Inspirados nessas maravilhas atmosféricas, os pesquisadores criaram agora uma meta -superfície de “nuvem” em nanoescala capaz de alternar dinamicamente entre estados brancos e cinzentos – resfriamento ou aquecimento sob demanda – tudo enquanto evita a detecção térmica.

O trabalho é publicado no diário Materiais avançados.

Há um grande impulso world para o gerenciamento térmico passivo e com eficiência energética em materiais de construção, wearables, sensores e aplicações de defesa. Este sistema recém -inventado se encaixa perfeitamente em campos emergentes como radiativa resfriamentorevestimentos adaptativos e aquecimento térmico e camuflagem térmica sob pressões climáticas e de segurança.

Assim como a transformação de cumulus brilhante em nuvens de cumulonimbus escuro, essa metassurface usa vários princípios de espalhamento, absorção e reflexão polarizônica para modular a luz e o calor. Em seu estado “branco”, ele retropolicia fortemente a luz photo voltaic para permitir o resfriamento radiativo, enquanto o estado “cinza” absorve a luz photo voltaic com eficiência para aquecimento de alto desempenho. Fundamentalmente, ambos os estados permanecem “invisíveis” aos sensores infravermelhos devido à baixa emissividade do infravermelho médio-algo que nenhuma superfície anterior alcançou.

“Nós projetamos uma nuvem em nanoescala em todas as superfícies. Ele pode ajustar sua cor e temperatura como uma nuvem actual – entre o branco resfriado e o cinza aquecido – enquanto ficava escondido de câmeras térmicas”, explica o professor Mady Elbahri, da Universidade Aalto.

As metasurfaces brancas e cinzas superam as limitações dos revestimentos tradicionais

Tintas brancas típicas superfícies frias espalhando a luz photo voltaic em todas as direções, mas ainda brilham na visão de calor. Esse novo materials Funciona mais como uma nuvem – resfriando a luz do sol saltando de volta e permanecendo escondida dos sensores de calor.

Revestimentos brancos convencionais (por exemplo, dióxido de titânioBaseado em TiO₂) Scatter Daylight difusivamente, mas é eficaz apenas em condições sombreadas ou à noite. Sua alta emissividade na faixa de 8 a 13 μm os torna brilhantes na imagem infravermelha térmica, limitando o uso em furtividade térmica.

“Esta nova meta -superfície plasmônica branca espalha a luz photo voltaic através de nanoestruturas metálicas desordenadas, minimizando a emissão térmica – resfriando superfícies sob luz photo voltaic completa e restante termicamente camuflado. Esse recurso torna a inovação inovadora”, diz Adel Assad, Ph.D. aluno no grupo.

Os materiais pretos ficam quentes ao sol, mas também iluminam câmeras térmicas à medida que emitem o infravermelho fortemente.

“Essa superfície cinzenta fica mais quente que a preta-mas sem enviar calor que pode ser visto por sensores de calor. Isso pode ser um mudança de jogo para têxteis inteligentes, materiais de construção e camuflagem”, diz Moheb Abdelaziz, pesquisador de pós-doutorado do grupo.

Grande potencial cresce de começos humildes

A pesquisa abre novos caminhos na engenharia de superfície adaptativa. As aplicações potenciais abrangem de fachadas de edifício de energia zero que alternam entre aquecimento e resfriamento a tecidos inteligentes que regulam a temperatura corporal sem eletrônicos. A descoberta também apresenta oportunidades em sensores e dispositivos de baixa visibilidade para defesa e vigilância.

O próximo passo para a pesquisa é explorar revestimentos dinâmicos usando camadas eletroqurômicas ou de mudança de fase para em tempo actualcomutação controlada pelo usuário entre os estados.

Os pesquisadores estão orgulhosos de que as descobertas notáveis ​​tenham ocorrido, apesar de uma rejeição inicial do projeto.

“Sem financiamento dedicado após os contratempos iniciais, contamos com a visão e colaboração compartilhadas – especialmente com nossos parceiros na Alemanha – para transformar a dúvida em descoberta. É uma prova de que a ciência, como nuvens, pode se levantar contra as probabilidades”, diz Elbahri.