Lapisan polimer berpori mengontrol cahaya dan panas secara dinamis – Sains Terkini


Bangunan mencurahkan lebih dari 30% dari penggunaan energinya untuk sistem pemanas, pendingin, dan penerangan. Desain pasif seperti cat atap keren telah banyak mengurangi penggunaan ini, dan dampaknya terhadap lingkungan dan iklim, tetapi mereka memiliki satu batasan utama – mereka biasanya statis, dan dengan demikian tidak responsif terhadap perubahan harian atau musiman.

Peneliti Columbia Engineering telah mengembangkan pelapis polimer berpori (PPC) yang memungkinkan cara-cara yang murah dan dapat diukur untuk mengontrol cahaya dan panas pada bangunan. Mereka mengambil keuntungan dari switchability optik PPC dalam panjang gelombang surya untuk mengatur pemanasan matahari dan pencahayaan matahari, dan memperluas konsep untuk panjang gelombang inframerah termal untuk memodulasi panas yang dipancarkan oleh benda-benda. Karya mereka diterbitkan pada 21 Oktober 2019 oleh Joule.

"Pekerjaan kami menunjukkan bahwa dengan membasahi PPC dengan cairan umum seperti alkohol atau air, kita dapat mengubah transmisi optiknya secara reversibel dalam panjang gelombang matahari dan panas," kata Jyotirmoy Mandal, penulis utama penelitian ini dan mantan mahasiswa PhD di lab Yuan Yang, asisten profesor sains dan teknik material. "Dengan meletakkan PPC seperti itu di plastik berlubang atau panel kaca, kita dapat membuat amplop bangunan yang dapat mengatur suhu dan cahaya dalam ruangan."

Desain tim ini mirip dengan jendela pintar, tetapi dengan switchabilitas optik yang lebih tinggi, dan dibangun menggunakan bahan yang lebih sederhana dan murah yang dapat membuatnya dapat diterapkan pada skala besar. Ini dibangun berdasarkan pekerjaan sebelumnya yang menunjukkan lapisan fluoropolymer seperti cat dengan lubang udara nano-to-microscale yang dapat mendinginkan bangunan. Lapisan itu statis, namun. "Di tempat-tempat seperti New York, yang melihat musim panas yang hangat dan musim dingin yang keras, desain yang dapat beralih antara mode pemanasan dan pendinginan bisa lebih berguna," kata Yang.

Tim memulai pekerjaan mereka untuk mengganti PPC secara optikal secara kebetulan, ketika Mandal memperhatikan bahwa beberapa tetes alkohol yang tumpah pada PPC fluoropolymer putih mengubahnya menjadi transparan. "Apa yang kami lihat adalah mekanisme yang sama yang menyebabkan kertas menjadi tembus cahaya ketika dibasahi, tetapi pada tingkat yang hampir optimal," kata Mandal. "Fisika ini telah dieksplorasi sebelumnya, tetapi peralihan drastis yang kami lihat mengarahkan kami untuk mengeksplorasi kasus khusus ini, dan bagaimana hal itu dapat digunakan."

Bahan berpori seperti kertas tampak putih karena udara di pori-pori memiliki indeks bias yang berbeda (~ 1) dengan bahan berpori (~ 1,5), menyebabkan mereka menyebar dan memantulkan cahaya. Ketika dibasahi oleh air, yang memiliki indeks bias (~ 1,33) lebih dekat ke material, hamburan berkurang dan lebih banyak cahaya melewati, membuatnya tembus. Penularan meningkat ketika indeks bias dicocokkan. Para peneliti menemukan bahwa fluoropolymer mereka (~ 1,4) dan alkohol khas (~ 1,38) memiliki indeks bias yang sangat dekat.

"Jadi ketika dibasahi, polimer berpori menjadi homogen secara optik," kata Yang. "Cahaya tidak lagi tersebar, dan melewati – seperti halnya melalui kaca padat – polimer berpori menjadi transparan."

Karena pencocokan indeks bias yang hampir sempurna antara alkohol dan fluoropolimer, tim dapat mengubah transmisi surya PPC mereka hingga ~ 74%; untuk bagian sinar matahari yang terlihat, perubahannya ~ 80%. Meskipun pergantian lebih lambat daripada di jendela pintar biasa, perubahan transmitansi jauh lebih tinggi, membuat PPC menarik untuk mengendalikan cahaya matahari di bangunan.

Para peneliti juga menyelidiki bagaimana switching optik dapat digunakan untuk termoregulasi. "Kami membayangkan atap yang berwarna putih selama musim panas untuk menjaga bangunan tetap dingin, dan berubah menjadi hitam selama musim dingin untuk memanaskannya," kata Yang, "Ini dapat sangat mengurangi biaya pendingin udara dan pemanas bangunan."

Untuk menguji ide mereka, para peneliti menempatkan panel yang berisi PPC di rumah mainan dengan atap hitam. Satu panel kering dan reflektif, sementara yang lain basah dan tembus cahaya, menunjukkan atap hitam di bawahnya. Di bawah sinar matahari pada siang hari musim panas, atap putih menjadi lebih dingin daripada udara sekitar ~ 3˚C / 5˚F, sedangkan yang hitam menjadi jauh lebih panas, ~ 21 ~C / 38˚F.

Tim juga mengeksplorasi beralih dalam panjang gelombang inframerah termal, dan mengamati perubahan novel antara "rumah es" ke "rumah kaca" dengan membasahi PPC polyethylene transparan-inframerah. Saat kering, PPC polietilen berpori memantulkan sinar matahari tetapi mengirimkan panas yang terpancar, berperilaku seperti "rumah es." Membasahi PPC membuat mereka mentransmisikan sinar matahari, dan, karena cairan khas menyerap panjang gelombang termal, menghalangi panas yang terpancar, seperti rumah kaca. Karena memodulasi radiasi matahari dan panas, mereka dapat mengatur panas di siang dan malam hari.

"Meskipun diperoleh secara sederhana, transisi ini sangat tidak biasa dibandingkan dengan beralih pada sistem optik lainnya, dan mungkin ini pertama kali dilaporkan," kata Mandal.

Tim Yang juga menguji aplikasi potensial lainnya, seperti kamuflase termal dan cat yang merespons hujan. Yang terakhir dapat digunakan untuk mendinginkan atau memanaskan bangunan di zona iklim Mediterania dan pantai California, yang menyaksikan musim panas yang kering dan musim dingin yang hujan. Para peneliti sekarang mencari cara untuk meningkatkan desain mereka, dan mencari peluang untuk menyebarkan dan mengujinya dalam skala besar.

"Mengingat skalabilitas dan kinerja desain berbasis PPC, kami berharap aplikasi mereka akan tersebar luas," kata Yang, "khususnya, kami sangat gembira dengan aplikasi potensial mereka pada fasad bangunan."

Mandal, yang sekarang melakukan penelitian postdoctoral sebagai Schmidt Science Fellow di University of California, Los Angeles, menambahkan, "Kami sengaja memilih polimer yang tersedia secara umum dan desain sederhana untuk pekerjaan kami. Tujuannya adalah menjadikannya buatan lokal dan dapat diterapkan dalam mengembangkan negara, di mana mereka akan memiliki dampak terbesar. "

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.