Una película bicapa coloreada y texturizada hecha de materiales de origen vegetal se enfría cuando se expone al sol. Crédito: Qingchen Shen
La brisa fresca de un acondicionador de aire puede proporcionar un alivio muy necesario en el calor abrasador, pero estas unidades consumen cantidades sustanciales de energía y pueden liberar potentes gases de efecto invernadero. Ahora, los científicos han presentado una alternativa ecológica: una película a base de plantas que se enfría cuando se expone a la luz solar y viene en una variedad de texturas y colores brillantes e iridiscentes. Este material tiene el potencial de enfriar edificios, vehículos y otras estructuras sin necesidad de energía externa en el futuro.
Los investigadores presentaron recientemente sus hallazgos en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS).
“Para fabricar materiales que permanezcan más fríos que el aire que los rodea durante el día, se necesita algo que refleje mucha luz solar y no la absorba, lo que convertiría la energía de la luz en calor”, dice Silvia Vignolini, Ph. D., investigador principal del proyecto. “Solo hay unos pocos materiales que tienen esta propiedad, y agregar pigmentos de colores normalmente anularía sus efectos refrescantes”, agrega Vignolini.
El enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) es la capacidad de una superficie para emitir su propio calor al espacio sin ser absorbido por el aire o la atmósfera. El resultado es una superficie que, sin el uso de energía eléctrica, puede estar varios grados más fría que el aire circundante. Cuando se usan en edificios u otras estructuras, los materiales que promueven este efecto pueden ayudar a limitar el uso de aire acondicionado y otros métodos de enfriamiento que consumen mucha energía.
Algunas pinturas y películas actualmente en desarrollo pueden llegar a PDRC, pero la mayoría son blancas o tienen un acabado de espejo, dice Qingchen Shen, Ph.D., quien presenta el trabajo en la reunión. Tanto Vignolini como Shen están en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Pero el propietario de un edificio que desee utilizar una pintura PDRC teñida de azul no tendrá suerte: los pigmentos de colores, por definición, absorben longitudes de onda específicas de la luz solar y solo reflejan los colores que vemos, provocando efectos de calentamiento no deseados en el proceso.
Pero hay una manera de obtener color sin usar pigmentos. Las pompas de jabón, por ejemplo, tienen un prisma de diferentes colores en su superficie. Estos colores resultan de la forma en que la luz interactúa con diferentes espesores de la película de burbujas, un fenómeno llamado color estructural. Parte de la investigación de Vignolini se centra en identificar las causas detrás de diferentes tipos de colores estructurales en la naturaleza. En un caso, su grupo descubrió que los nanocristales de celulosa (CNC), derivados de la celulosa que se encuentra en las plantas, se pueden convertir en películas de colores iridiscentes sin ningún pigmento agregado.
Resulta que la celulosa también es uno de los pocos materiales naturales que pueden promover PDRC. Vignolini aprendió esto después de escuchar una conferencia de los primeros investigadores para crear un material de película de enfriamiento. «Pensé, wow, esto es realmente increíble y nunca pensé que la celulosa podría hacer esto».
En un trabajo reciente, Shen y Vignolini superpusieron materiales CNC de colores con un material de color blanco hecho de etilcelulosa, produciendo una película PDRC de dos capas de colores. Hicieron una película con colores vibrantes de azul, verde y rojo que, cuando se colocaba a la luz del sol, promediaba unos 7 F más frío que el aire circundante. Un metro cuadrado de película generó más de 120 vatios de potencia de refrigeración, rivalizando con muchos tipos de aire acondicionado residencial. El aspecto más desafiante de esta investigación, dice Shen, fue encontrar una forma de unir las dos capas; por sí solas, las películas CNC eran quebradizas y la capa de etilcelulosa tenía que ser[{» attribute=»»>plasma-treated to get good adhesion. The result, however, was films that were robust and could be prepared several meters at a time in a standard manufacturing line.
Since creating these first films, the researchers have been improving their aesthetic appearance. Using a method modified from approaches previously explored by the group, they’re making cellulose-based cooling films that are glittery and colorful. They’ve also adjusted the ethyl cellulose film to have different textures, like the differences between types of wood finishes used in architecture and interior design, says Shen. These changes would give people more options when incorporating PDRC effects in their homes, businesses, cars, and other structures.
The researchers now plan to find ways they can make their films even more functional. According to Shen, CNC materials can be used as sensors to detect environmental pollutants or weather changes, which could be useful if combined with the cooling power of their CNC-ethyl cellulose films. For example, a cobalt-colored PDRC on a building façade in a car-dense, urban area could someday keep the building cool and incorporate detectors that would alert officials to higher levels of smog-causing molecules in the air.
Meeting: ACS Spring 2023
The researchers acknowledge support and funding from Purdue University, the American Society of Mechanical Engineers, the European Research Council, the Engineering and Physical Sciences Research Council, the Biotechnology and Biological Sciences Research Council, the European Union and Shanghai Jiao Tong University.
