Как облако сохраняет прохладу под прямыми солнечными лучами или кажется невидимым в инфракрасном диапазоне? В природе явления, такие как белые кучевые облака, серые штормовые системы и даже полые волоски белых медведей, демонстрируют удивительные примеры балансировки температуры, цвета и невидимости. Вдохновлённые этими атмосферными чудесами, исследователи создали наномасштабную «облачную» метаповерхность, способную динамически переключаться между белым и серым состояниями — охлаждать или нагревать по требованию — и при этом уклоняться от обнаружения тепловыми датчиками.
Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
Существует глобальный тренд на создание пассивных, энергоэффективных систем управления температурой в строительных материалах, носимых устройствах, датчиках и оборонных приложениях. Новая система идеально вписывается в такие области, как радиационное охлаждение, адаптивные покрытия, тепловой нагрев и тепловой камуфляж в условиях климатических и защитных ограничений.
Подобно превращению ярких кучевых облаков в тёмные кучево-дождевые, эта метаповерхность использует принципы многократного рассеяния, поглощения и поляризационного отражения для модуляции света и тепла. В «белом» состоянии она сильно отражает солнечный свет, обеспечивая радиационное охлаждение, а в «сером» — эффективно поглощает солнечный свет для высокопроизводительного нагрева. Важно, что оба состояния остаются «невидимыми» для инфракрасных датчиков из-за низкой излучательной способности в среднем инфракрасном диапазоне — чего не удавалось достичь ни одной предыдущей поверхности.
«Мы создали наномасштабное облако на любой поверхности. Оно может настраивать свой цвет и температуру, как настоящее облако — между охлаждающим белым и нагревающимся серым — и при этом оставаться скрытым от тепловых камер», — объясняет профессор Мади Эльбахри из Университета Аалто.
Типичные белые краски охлаждают поверхности, рассеивая солнечный свет во всех направлениях, но они всё равно светятся в тепловизоре. Новый материал работает больше похоже на облако — охлаждая за счёт отражения солнечного света и оставаясь скрытым от датчиков тепла.
Обычные белые покрытия (например, на основе диоксида титана, TiO₂) диффузно рассеивают солнечный свет, но эффективны только в затенённых условиях или ночью. Их высокая излучательная способность в диапазоне 8–13 мкм делает их яркими в тепловом инфракрасном диапазоне, что ограничивает использование в условиях теплового камуфляжа.
«Эта новая плазмонная метаповерхность рассеивает солнечный свет через неупорядоченные металлические наноструктуры, минимизируя тепловое излучение — охлаждая поверхности под прямыми солнечными лучами и оставаясь термокамуфлированным. Эта особенность делает инновацию прорывной», — говорит Адель Ассад, аспирант в группе.
Чёрные материалы нагреваются на солнце, но также подсвечивают тепловые камеры, поскольку сильно излучают в инфракрасном диапазоне.
«Эта серая поверхность нагревается сильнее, чем чёрная, но при этом не излучает тепло, которое можно было бы увидеть тепловым датчикам. Это может изменить правила игры для умных тканей, строительных материалов и камуфляжа», — говорит Мохем Абделазиз, постдокторский исследователь в группе.
Исследование открывает новые пути в области адаптивной инженерии поверхностей. Потенциальные применения простираются от фасадов зданий с нулевым энергопотреблением, которые переключаются между нагревом и охлаждением, до умных тканей, регулирующих температуру тела без электроники. Открытие также открывает возможности для создания малозаметных датчиков и устройств в оборонной и разведывательной сферах.
Следующий шаг в исследовании — изучение динамических покрытий с использованием электрохромных или фазопереходных слоёв для переключения между состояниями в реальном времени.
Исследователи гордятся тем, что выдающиеся результаты были получены несмотря на первоначальный отказ в финансировании проекта.
«Без специального финансирования после первоначальных неудач мы полагались на общее видение и сотрудничество — особенно с нашими партнёрами в Германии — чтобы превратить сомнения в открытия. Это доказательство того, что наука, как и облака, может преодолевать трудности», — говорит Эльбахри.
Предоставлено Университетом Аалто.