Хорошо расположенное окно может наполнить комнату естественным светом и предложить живописный вид на окружающий мир. Однако они крайне неэффективны. Здания потребляют около 40 процентов производимой в обществе энергии, и значительная часть этой энергии тратится впустую из-за плохой теплоизоляции зимой и чрезмерного сохранения тепла летом. Даже самые экологичные окна неизбежно увеличивают этот расход энергии.
Учитывая, что люди вряд ли согласятся жить в домах без окон, какое решение может быть предложено? По мнению одной группы исследователей из Университета Колорадо в Боулдере, решением может стать новый материал, напоминающий пузырчатую плёнку, используемую для упаковки в картонных коробках.
«Чтобы блокировать теплообмен, вы можете поместить много утеплителя в стены, но окна должны быть прозрачными, — сказал соавтор исследования, физик-материаловед из Университета Колорадо в Боулдере Иван Смалъюх. — Найти прозрачные утеплители — действительно сложная задача».
Вместо того чтобы открывать неизвестные преимущества существующего прозрачного материала, Смалъюх и его коллеги описывают своё изобретение в исследовании, недавно опубликованном в журнале Science. Мезопористый оптически прозрачный теплоизолятор (MOCHI) — это силиконовый гель, который функционирует аналогично защитному аэрогелю, помещаемому внутрь марсоходов NASA для защиты их электроники.
И MOCHI, и аэрогели работают за счёт улавливания воздуха внутри микроскопической сети пор, каждая из которых меньше ширины человеческого волоса.
Отличие между этими двумя материалами заключается в том, как расположены воздушные пузыри. Аэрогели обычно содержат случайным образом распределённые карманы, которые отражают свет и делают их непрозрачными. Однако MOCHI использует молекулы, называемые сурфактантами, взвешенными в жидком силиконовом растворе. Подобно тому, как масло и уксус разделяются, сурфактанты имеют тенденцию группироваться в нити, в то время как силикон прилипает к внешней стороне нитей. Затем команда заменила сурфактанты воздухом, оставив позади то, что Смалъюх описал как «кошмар сантехника» из микроскопических труб.
В своей окончательной форме объём MOCHI составляет 90 процентов воздуха, что делает его таким хорошим отражателем тепла. В газе тепло передаётся за счёт столкновений молекул и атомов. Однако воздушные пузыри в MOCHI настолько малы, что препятствуют передаче тепла через газ.
«У молекул нет возможности свободно сталкиваться друг с другом и обмениваться энергией. Вместо этого они ударяются о стенки пор», — сказал Смалъюх.
MOCHI настолько хорошо блокирует тепло, что листа толщиной 5 миллиметров (около 0,20 дюйма) достаточно, чтобы защитить ладонь от открытого пламени. И в отличие от аэрогелей, микроскопические структуры MOCHI устроены так, что отражают всего около 0,2 процента падающего света.
В совокупности MOCHI может не только блокировать тепло, но и использоваться в устройстве, которое улавливает тепло в качестве возобновляемого источника энергии.
«Даже когда день несколько облачный, вы всё равно можете использовать много энергии, а затем использовать её для нагрева воды и внутри помещений здания», — пояснил Смалъюх.
Хотя ингредиенты MOCHI сравнительно недороги, процесс производства всё ещё занимает много времени и требует значительных усилий. Тем не менее Смалъюх и его команда надеются, что дальнейшие исследования позволят оптимизировать этапы производства таким образом, чтобы прозрачный материал можно было использовать в повседневных архитектурных проектах.