ナノクリスタル「塗られた」フィルムがいつか夏の暑さを和らげるのに役立つかもしれない

Sep 24, 2023

クジャクの羽の明るい青や緑は、着色された色素によるものではなく、光を屈折させ反射する微細な構造から得られます。 薄いナノクリスタル フィルムも同様の戦略を使用して、日光の下で温度が上昇することなく鮮やかな色合いを表現します。

サラユット・タニーラット/モーメント/ゲッティイメージズプラス

ケイティ・グレース・カーペンター著

5時間前

夏が暑くなるにつれて、鮮やかな色のナノクリスタルのコーティングのおかげで、将来の住宅は涼しくなるかもしれません。

ペイントなどの通常のコーティングは太陽の下で加熱されます。 新しいクリスタルフィルムは、太陽光にさらされると周囲の空気よりも冷たくなります。 彼らは太陽光線を反射し、その熱を宇宙空間に放出することによってこれを行います。

これらのコーティングは、電力を必要とせずに車、家庭、オフィスを涼しく保つ持続可能な方法を提供する可能性があります。 これは、大量のエネルギーを消費し、地球温暖化を促進するガス漏れの可能性があるエアコンからの大きな進歩となるだろう。

Qingchen Shen と彼の同僚は、新しいコーティングのカラフルなセレクションを作成しました。 シェンは英国のケンブリッジ大学で材料科学を学んでいます。 彼のチームは、3 月 26 日に開催された米国化学会 (ACS) の春季会議でその成果を共有しました。 インディアナ州インディアナポリスで起きた。

周囲よりも温度が下がる表面は異常です。

理由: 熱い物体は目に見えない赤外線を通じて熱を放出します。 彼らは自分の熱を周囲の空気に伝えます。 物体と空気が同じ温度に達すると、その伝達は停止します。 それで冷却は止まります。

これは、たとえば、太陽で暖められた車のボンネットが熱を放出し、車内外の空気を暖める理由を説明します。

ただし、赤外線の特定の波長は空気に吸収されません。 彼らは大気圏から宇宙に逃げることができます。 新しいフィルムはこれらの波長で熱を放出します。 そのため、周囲の空気を暖めることなく熱を放出することができ、太陽光を浴びている場合でも周囲の空気よりも冷たくなります。

この冷却方法には、受動的昼間放射冷却という長い名前が付いています。 シェン氏のチームがこのプロセスを発明したわけではない。 他の材料でも同様です。 しかし、通常はトレードオフが存在します。これまでは、白または鏡面のみがこれに対応していました。 このような表面は多くの光を反射し、その光が表面を加熱するのを防ぎます。

現在、Shen 氏のチームは、カラフルな受動的冷却面を作成する方法を見つけ出しました。 「赤、緑、青を作り出すことができます」とシェン氏は言います。 しかし、彼が本当に誇りに思っているのは、さまざまなテクスチャーです。 きらびやかな虹色のフィルムから、落ち着いた天然の木目まで、あらゆるものを生み出してきました。

新しいフィルムは、絵の具や衣服に色を与える顔料から色を得ているわけではない。 これらの化学物質は、私たちが見る光の色だけを反射し、残りの色を吸収することによって機能します。 吸収された光が材料を加熱します。

「黒い T シャツを着ると、白い T シャツを着るよりも暖かくなるのはこのためです」とシルビア ヴィニョリーニは説明します。 彼女はケンブリッジ大学の化学者で、新作映画にも携わりました。

これらのフィルムの色が顔料から得られている場合、フィルムは「太陽光の一部を吸収し、その後加熱することになる」とシェン氏は言う。 そうすれば「寒さへの対策」ができるでしょう。

その代わり、フィルムの色は微細な構造から生まれます。 これは構造色として知られています。 フィルム表面の小さなパターンは光を吸収しません。 代わりに、光波は特定の方法で反射し、特定の色だけが私たちの目に届きます。 微細構造パターンを変えると、見える色が変わります。

構造色は自然界では一般的です。 シャボン玉の虹色の光沢は構造色によるものです。 クジャクの鮮やかな羽も一例です。 一部のヒヒの明るい顔も同様だとヴィニョリーニ氏は言う。 涼しい青い斑点は、コラーゲンと呼ばれるタンパク質の小さなビーズからできています。

新しいフィルムの色はセルロースの小さな結晶から来ています。 植物繊維から作られています。 セルロースは豊富に存在し、環境に優しいだけではありません。 また、大気中に逃げる赤外線波長として熱も放出します。

フィルムは2層になっています。 一番上のものは結晶化セルロースで、これが色を提供します。 結晶パターンが異なれば、色も異なります。 別の形態のセルロースであるエチルセルロースが最下層を構成しています。 この層には窪みがあり、最上層から漏れる光をすべて散乱させます。

ルシアン・ルシア氏は、光の粒子をピンボールと考えてください。 「それらは表面にぶつかると、機械のピンボールのように、ドーン、ドーン、ドーンと跳ね返ります。」 ルシアはローリーにあるノースカロライナ州立大学で生体材料を研究しています。 彼はこの研究には参加していませんでした。

両方のセルロース層は、フィルムが空間に飛び散る熱を放出するのに役立ちます。 この 2 層のアプローチがこの作品をユニークなものにしているとルチアは言います。 同氏によれば、ケンブリッジのチームは「冷却に対する極めて驚くべきシンプルなアプローチ」を達成したという。

チームはフィルムを一度に 1 層ずつ作成しました。 まず、エチルセルロースの水を含む混合物を乾燥させて薄いシートにしました。 次に、その上に水に溶かしたセルロース結晶の薄い層を、ケーキをアイシングするように広げます。 その「アイシング」が乾燥すると、その結晶が結合してカラフルな最上層を形成しました。 結晶の形状がわずかに異なると、異なるパターンや色が生じます。

太陽光の下では、フィルムは気温より摂氏 4 度 (華氏 7 度) まで冷えました。 夜の気温差は9℃（16°F）でした。 Shen氏のチームは、Advanced ScienceでのACS会議の前にその研究結果を発表した。

さらに良いことに、Shen 氏のチームは映画を大量に製作する方法を考案しました。これは「彼らの仕事にとって非常に重要です」と Ran Zheng 氏は述べています。 彼はカリフォルニア大学ロサンゼルス校で材料科学を研究しています。 このような大規模な生産により、このイノベーションが現実の生活で使用される可能性が高くなります、と彼は説明します。 夏の太陽の下で建物を涼しく保つためにこれらのコーティングを使用すれば、空調の必要性が軽減される可能性があると同氏は指摘する。

これは、レメルソン財団からの寛大な支援により実現した、テクノロジーとイノベーションに関するニュースを紹介するシリーズの 1 つです。

増幅する: 数、量、またはその他の反応性の尺度を増やすこと。

雰囲気: 地球、別の惑星、または月を取り囲むガスのエンベロープ。

セルロース ：植物の細胞壁に含まれる繊維の一種。 それはグルコース分子の鎖によって形成されます。

コラーゲン: 骨、軟骨、腱、その他の結合組織に含まれる繊維状タンパク質。

ファイバ: 糸やフィラメントに似た形状のもの。

地球温暖化 : 温室効果により、地球の大気全体の温度が徐々に上昇すること。 この影響は、空気中の二酸化炭素、クロロフルオロカーボン、その他のガスのレベルの増加によって引き起こされ、それらの多くは人間の活動によって放出されます。

赤外線 : 人間の目には見えない電磁放射線の一種。 この名前はラテン語を取り入れており、「赤の下」を意味します。 赤外線は人間の目に見える波長よりも長い波長を持っています。 その他の目に見えない波長には、X 線、電波、マイクロ波などがあります。 赤外線は、物体や環境の熱の特徴を記録する傾向があります。

革新: (v. 革新する; adj. 革新的) 新しい、賢い、より効果的、またはより実用的な、既存のアイデア、プロセス、または製品への適応または改善。

虹色の: 見る角度や光の当たり方によって色が変わって見えるものを表す形容詞。

顕微鏡的な : 肉眼では見えないほど小さいものを表す形容詞。 細菌やその他の単細胞生物など、これほど小さな物体を観察するには顕微鏡が必要です。

粒子：微量の何か。

顔料 : 肌の自然な色のような、物体から反射した光や物体を透過した光を変化させるマテリアル。 顔料の全体的な色は通常、可視光のどの波長を吸収し、どの波長を反射するかによって決まります。 たとえば、赤色の顔料は赤色の波長の光をよく反射する傾向があり、通常は他の色を吸収します。 顔料は、メーカーが塗料に色を付けるために使用する化学物質の用語でもあります。

タンパク質 : 1 つ以上のアミノ酸の長鎖から作られる化合物。 タンパク質はすべての生物にとって不可欠な部分です。 それらは生きた細胞、筋肉、組織の基礎を形成します。 彼らは細胞の内部でも働きます。 抗体、ヘモグロビン、酵素はすべてタンパク質の例です。

光線 : (数学で) 片側に定義された終点があるが、もう一方の側は永遠に続く線。 （生物学において）サメ科のトビの形をした魚を指す用語。 実際には、翼に似た幅広のヒレを備えた平らなサメに似ています。

持続可能な: (n. 持続可能性) 将来にわたって利用し続けるような方法での資源の使用を表す形容詞。

個性的 ：他とは違うもの。 その種類の唯一のもの。

波長 : 一連の波における、ある山と次の波の間の距離、または 1 つの波と次の波の間の距離。 放射線を測る「物差し」の一つでもある。 可視光は、すべての電磁放射と同様、波として伝わり、約 380 ナノメートル (紫) から約 740 ナノメートル (赤色) の波長を含みます。 可視光線よりも短い波長の放射線には、ガンマ線、X線、紫外線が含まれます。 より長い波長の放射線には、赤外線、マイクロ波、電波が含まれます。

会議: Q. Shen et al. 構造的に着色された放射冷却セルロース系フィルム。 米国化学会の 2023 年春の会議。 2023 年 3 月 26 日。インディアナ州インディアナポリス

日記: W. Zhu 他、構造着色放射冷却セルロース系フィルム、Advanced Science、Vol.9、2022 年 9 月 15 日。 ドイ: 10.1002/advs.202202061。

Katie Grace Carpenter は、生物学と生物地球化学の学位を取得したサイエンス ライター兼カリキュラム開発者です。 彼女は SF を書いたり、サイエンス ビデオを作成したりすることもできます。 ケイティは米国に住んでいますが、シェフの夫と一緒にスウェーデンでも時間を過ごしています。

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