Les films nanocristallins "peints" pourraient un jour aider à soulager la chaleur estivale

Sep 24, 2023

Les plumes de paon tirent leurs bleus et verts brillants non pas de pigments colorés, mais de structures microscopiques qui réfractent et réfléchissent la lumière. Les films minces de nanocristaux utilisent une stratégie similaire pour présenter des teintes vibrantes sans se réchauffer au soleil.

sarayut Thaneerat/Moment/Getty Images Plus

De Katie Grace Carpenter

il y a 5 heures

À mesure que l'été se réchauffe, les futures maisons peuvent se refroidir, grâce aux revêtements de nanocristaux aux couleurs vives.

Les revêtements normaux, comme la peinture, chauffent au soleil. Les nouveaux films de cristal deviennent plus froids que l'air qui les entoure lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil. Ils le font en réfléchissant les rayons du soleil et en libérant cette chaleur dans l'espace.

Ces revêtements pourraient fournir un moyen durable de garder au frais – aucune électricité requise – pour les voitures, les maisons et les bureaux. Ce serait un grand pas en avant par rapport aux climatiseurs, qui consomment beaucoup d'énergie et peuvent laisser échapper des gaz qui contribuent au réchauffement climatique.

Qingchen Shen et ses collègues ont créé une sélection colorée des nouveaux revêtements. Shen étudie la science des matériaux à l'Université de Cambridge en Angleterre. Son équipe a partagé ses travaux le 26 mars lors de la réunion de printemps de l'American Chemical Society (ACS). Il a eu lieu à Indianapolis, Indiana.

Les surfaces qui deviennent plus froides que leur environnement sont inhabituelles.

La raison : les objets chauds dégagent de la chaleur grâce à une lumière infrarouge invisible. Ils transfèrent leur chaleur à l'air qui les entoure. Lorsque l'objet et l'air atteignent la même température, ce transfert s'arrête. Donc le refroidissement s'arrête.

Cela explique pourquoi, par exemple, un capot de voiture chauffé par le soleil émet de la chaleur qui réchauffe l'air à l'intérieur et à l'extérieur de la voiture.

Mais certaines longueurs d'onde de la lumière infrarouge ne sont pas absorbées par l'air. Ils peuvent s'échapper de l'atmosphère dans l'espace. Les nouveaux films dégagent de la chaleur à ces longueurs d'onde. Ainsi, ils peuvent dégager de la chaleur sans réchauffer l'air ambiant - et devenir plus frais que l'air qui les entoure, même lorsqu'ils sont baignés de soleil.

Cette méthode de refroidissement porte un long nom : le refroidissement radiatif diurne passif. L'équipe de Shen n'a pas inventé le procédé. D'autres matériaux le font aussi. Mais généralement, il y a un compromis : jusqu'à présent, seules les surfaces blanches ou réfléchissantes le faisaient. De telles surfaces réfléchissent beaucoup de lumière, empêchant cette lumière de chauffer la surface.

Maintenant, l'équipe de Shen a trouvé un moyen de créer des surfaces de refroidissement passif colorées. "Nous pouvons produire du rouge, du vert et du bleu", dit Shen. Mais ce dont il est vraiment fier, ce sont les différentes textures. Ils ont tout créé, des films irisés scintillants au grain de bois naturel apaisant.

Les nouveaux films ne tirent pas leur couleur des pigments, qui donnent leurs teintes aux peintures et aux vêtements. Ces produits chimiques agissent en reflétant uniquement les couleurs de la lumière que nous voyons et en absorbant le reste. Cette lumière absorbée chauffe le matériau.

C'est pourquoi "si vous portez un T-shirt noir, vous avez plus chaud que si vous portez un T-shirt blanc", explique Silvia Vignolini. C'est une chimiste à l'Université de Cambridge qui a également travaillé sur les nouveaux films.

Si ces films obtenaient leur couleur à partir de pigments, ils "absorberaient une partie de la lumière du soleil, puis chaufferaient", explique Shen. Cela « neutraliserait le refroidissement ».

Au lieu de cela, la couleur des films provient de structures microscopiques. C'est ce qu'on appelle la couleur structurelle. De minuscules motifs sur les surfaces des films n'absorbent pas la lumière. Au lieu de cela, les ondes lumineuses rebondissent sur eux de manière particulière, de sorte que seules certaines couleurs atteignent nos yeux. Changer les motifs microstructuraux change la couleur que nous voyons.

La couleur structurelle est courante dans la nature. L'éclat arc-en-ciel d'une bulle de savon provient de la couleur structurelle. Les plumes vibrantes d'un paon sont un autre exemple. Il en va de même pour les visages brillants de certains babouins, dit Vignolini. Leurs taches bleues fraîches proviennent de minuscules perles d'une protéine appelée collagène.

La couleur des nouveaux films provient de minuscules cristaux de cellulose. Ils sont fabriqués à partir de fibres végétales. La cellulose n'est pas seulement abondante et écologique. Il émet également de la chaleur comme ces longueurs d'onde infrarouges qui peuvent s'échapper de l'atmosphère.

Le film a deux couches. Celui du haut est en cellulose cristallisée, qui donne la couleur. Différents motifs de cristal produisent différentes couleurs. Une forme différente de cellulose - l'éthylcellulose - constitue la couche inférieure. Cette couche est piquée et disperse toute la lumière qui fuit à travers la couche supérieure.

Considérez les particules de lumière comme des boules de flipper, dit Lucian Lucia. "Ils touchent la surface et rebondissent - boum, boum, boum... comme un flipper dans la machine." Lucia étudie les biomatériaux à la North Carolina State University à Raleigh. Il ne faisait pas partie de cette étude.

Les deux couches de cellulose aident le film à libérer de la chaleur qui se propage dans l'espace. L'approche à deux niveaux est ce qui rend ce travail unique, dit Lucia. L'équipe de Cambridge, dit-il, a réalisé "une approche assez remarquable et simple du refroidissement".

L'équipe a fait les films une couche à la fois. Tout d'abord, ils ont séché un mélange aqueux d'éthylcellulose en fines feuilles. Ensuite, ils ont étalé une fine couche de cristaux de cellulose dans de l'eau dessus, comme du glaçage sur un gâteau. Au fur et à mesure que ce "glaçage" séchait, ses cristaux se sont liés pour former la couche supérieure colorée. De légères variations dans la forme du cristal donneront différents motifs et couleurs.

Sous la lumière du soleil, les films refroidissaient à 4 degrés Celsius (7 degrés Fahrenheit) en dessous de la température de l'air. La nuit, la différence de température était de 9 degrés C (16 degrés F). L'équipe de Shen a présenté ses conclusions avant la réunion de l'ACS en sciences avancées.

Mieux encore, l'équipe de Shen a trouvé comment faire les films en grande quantité, ce qui est "très important pour leur travail", note Ran Zheng. Il étudie la science des matériaux à l'Université de Californie à Los Angeles. Une telle production à grande échelle rend cette innovation plus susceptible d'être utilisée dans la vie réelle, explique-t-il. S'ils sont utilisés pour aider à garder les bâtiments frais sous le soleil d'été, note-t-il, ces revêtements pourraient réduire le besoin de climatisation.

Ceci fait partie d'une série présentant des nouvelles sur la technologie et l'innovation, rendue possible grâce au généreux soutien de la Fondation Lemelson.

amplifier: Pour augmenter le nombre, le volume ou toute autre mesure de réactivité.

atmosphère: L'enveloppe de gaz entourant la Terre, une autre planète ou une lune.

cellulose : Type de fibre que l'on trouve dans les parois des cellules végétales. Il est formé de chaînes de molécules de glucose.

collagène: Protéine fibreuse présente dans les os, le cartilage, les tendons et d'autres tissus conjonctifs.

fibre: Quelque chose dont la forme ressemble à un fil ou à un filament.

le réchauffement climatique : L'augmentation progressive de la température globale de l'atmosphère terrestre due à l'effet de serre. Cet effet est causé par des niveaux accrus de dioxyde de carbone, de chlorofluorocarbures et d'autres gaz dans l'air, dont beaucoup sont libérés par l'activité humaine.

infrarouge : Un type de rayonnement électromagnétique invisible à l'œil humain. Le nom incorpore un terme latin et signifie "en dessous du rouge". La lumière infrarouge a des longueurs d'onde plus longues que celles visibles pour les humains. Les autres longueurs d'onde invisibles comprennent les rayons X, les ondes radio et les micro-ondes. La lumière infrarouge a tendance à enregistrer la signature thermique d'un objet ou d'un environnement.

innovation: (v. innover; adj. innovant) Une adaptation ou une amélioration d'une idée, d'un processus ou d'un produit existant qui est nouveau, intelligent, plus efficace ou plus pratique.

iridescent: Adjectif qui décrit quelque chose qui semble changer de couleur avec un changement dans l'angle sous lequel il est vu ou sous lequel l'éclairage est appliqué.

microscopique : Un adjectif désignant des choses trop petites pour être vues à l'œil nu. Il faut un microscope pour voir des objets aussi petits, comme des bactéries ou d'autres organismes unicellulaires.

particule: Une quantité infime de quelque chose.

pigment : Un matériau, comme les colorants naturels de la peau, qui modifie la lumière réfléchie par un objet ou transmise à travers celui-ci. La couleur globale d'un pigment dépend généralement des longueurs d'onde de la lumière visible qu'il absorbe et de celles qu'il réfléchit. Par exemple, un pigment rouge a tendance à très bien refléter les longueurs d'onde rouges de la lumière et absorbe généralement les autres couleurs. Pigment est également le terme désignant les produits chimiques que les fabricants utilisent pour teinter la peinture.

protéine : Un composé constitué d'une ou plusieurs longues chaînes d'acides aminés. Les protéines sont une partie essentielle de tous les organismes vivants. Ils forment la base des cellules vivantes, des muscles et des tissus ; ils font aussi le travail à l'intérieur des cellules. Les anticorps, l'hémoglobine et les enzymes sont tous des exemples de protéines.

rayon : (en mathématiques) Une ligne qui a une extrémité définie d'un côté, mais l'autre côté continue indéfiniment. (en biologie) Terme désignant les membres des poissons en forme de cerf-volant de la famille des requins. Ils ressemblent en fait à des requins aplatis avec de larges nageoires qui ressemblent à des ailes.

durable: (n. durabilité) Un adjectif pour décrire l'utilisation des ressources de telle manière qu'elles continueront d'être disponibles longtemps dans le futur.

unique : Quelque chose qui ne ressemble à rien d'autre ; le seul de son genre.

longueur d'onde : La distance entre un pic et le suivant dans une série de vagues, ou la distance entre un creux et le suivant. C'est aussi l'un des "étalons" utilisés pour mesurer le rayonnement. La lumière visible - qui, comme tout rayonnement électromagnétique, se propage par ondes - comprend des longueurs d'onde comprises entre environ 380 nanomètres (violet) et environ 740 nanomètres (rouge). Les rayonnements dont les longueurs d'onde sont plus courtes que la lumière visible comprennent les rayons gamma, les rayons X et la lumière ultraviolette. Le rayonnement à plus grande longueur d'onde comprend la lumière infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.

Réunion :​​ ​Q.​ ​Shen​ ​et​ ​al.​ Films cellulosiques à refroidissement radiatif structurellement colorés. Réunion du printemps 2023 de l'American Chemical Society. 26 mars 2023.​ Indianapolis, Indiana​

Revue :​ ​​W.​ ​Zhu​ ​et​ ​al.​ ​Films cellulosiques à refroidissement radiatif colorés de manière structurelle.​ ​​Advanced Science.​ ​​​ ​​Vol.​ ​9,​ 15 septembre 2022​. doi:​​ 10.1002/advs.202202061.

Katie Grace Carpenter est rédactrice scientifique et élaboratrice de programmes d'études, diplômée en biologie et en biogéochimie. Elle écrit également de la science-fiction et crée des vidéos scientifiques. Katie vit aux États-Unis mais passe également du temps en Suède avec son mari, qui est chef.

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Note de lisibilité : 6,7