暑さをしのぐ：この植物たち

ジェニファー・ウエレット - 2023年5月30日午後9時58分（協定世界時）

夏が近づいており、気温が上昇し、特に暑い日にはエアコンを強くする人が多くなっています。 エアコンの欠点は、ユニットがエネルギーを消費し、温室効果ガスを排出し、地球温暖化をさらに促進する可能性があることです。 したがって、環境に優しい代替品を考え出すことに強い関心が寄せられています。 ケンブリッジ大学の科学者は、太陽光にさらされると温度が下がる革新的な新しい植物ベースのフィルムを開発しました。これは、外部電源を必要とせず、将来的に建物や自動車を冷却するのに最適です。 彼らは最近のアメリカ化学会の会合で自分たちの研究について説明した。

このアプローチの専門用語は、受動的昼間放射冷却 (PDRC) であり、熱を分散させるためにシステムにエネルギーを注入する必要がないことからこの名前が付けられました。 表面は、空気や大気によって吸収されることなく、自らの熱を空間に放出するため、電気エネルギーを必要とせずに周囲の空気よりも数度低くなります。

チンチェン・シェン氏は会議中の記者会見で、「異なる温度の物体間には自発的な熱伝達が存在することはわかっている」と述べた。 彼らの冷却技術は、その熱伝達をひねりを加えて利用しています。 ほとんどの PDRC 材料 (塗料、フィルムなど) は、太陽光の広帯域反射を実現するために白色または鏡面仕上げになっています。 顔料や染料は特定の波長の光を吸収し、特定の色のみを反射するため、光のエネルギーを熱に変換するため、これを妨げます。 Shen らによって作成されたフィルム。 色は付いていますが、これはナノ結晶の形での構造色であり、顔料や染料の添加によるものではありません。 そのため、受動的冷却効率を犠牲にすることなく色を追加できます。

以前に報告されたように、たとえば、蝶の羽、シャボン玉、またはカブトムシの殻の明るい虹色は、色素分子に由来するのではなく、羽の構造に由来します。これは、物理学者がフォトニック結晶と呼ぶものの自然に発生する例です。 自然界では、キチン（昆虫に共通する多糖類）の鱗片が瓦のように並んでいます。 基本的に、それらは回折格子を形成しますが、フォトニック結晶は光の特定の色または波長のみを生成しますが、回折格子はプリズムと同様にスペクトル全体を生成します。 フォトニックバンドギャップ材料としても知られるフォトニック結晶は「調整可能」です。これは、特定の波長の光を遮断し、他の波長を通過させるように正確に配列されていることを意味します。 タイルのサイズを変更して構造を変更すると、結晶は異なる波長に敏感になります。

科学者は研究室で独自の構造着色材料を作成できますが、光学精度を犠牲にすることなく商業用途向けにプロセスをスケールアップするのは困難な場合があります。 したがって、自然界に見られるような構造色を作成することは、材料研究の活発な分野です。

たとえば、昨年、マサチューセッツ工科大学の科学者たちは、物理学者ガブリエル・リップマンが発明した19世紀のホログラフィック写真技術を応用して、伸ばすと色が変わるカメレオンのようなフィルムを開発した。 このフィルムは、圧力に反応して色が変化する包帯を作成するのに最適であり、傷口をきつく巻きすぎているかどうかを医療専門家に知らせることができます。これは、静脈性潰瘍、褥瘡、リンパ浮腫、瘢痕などの症状を治療する際の重要な要素です。 子どもたちは色が変わる包帯を着用するのが大好きなので、小児科医にとってはありがたいことです。 また、材料の大きなシートを作成できるため、アパレルやスポーツウェアへの用途が広がります。

優れた PDRC 材料は、日中周囲の空気よりも低温に保たれなければなりません。つまり、太陽光を吸収せずに大量に反射する必要があります。 シェン氏と彼の仲間たちは、受動冷却型虹色フィルムに植物ベースの材料、特にセルロースを使用することに決めました。 「セルロースは自然界で最も豊富に存在するポリマーです」とシェン氏は材料の選択について語った。 「セルロースは木材や綿で簡単に見つけることができます。天然素材であるセルロースは持続可能で生体適合性があります。また、太陽エネルギーをほとんど吸収せず、赤外線帯域で非常に高い熱放射率を持っています。これらの特性は、次のことを実現するために重要です。」放射冷却です。」

秘訣は、異なる機能を持つ 2 つの異なるレイヤーを使用することです。 Shen氏によれば、1つの層はセルロースナノクリスタルで構成されており、木材などの再生可能資源から抽出できるという。 抽出されると、ナノクリスタルは水中に分散され、水が蒸発すると、ナノクリスタルは自己集合してフォトニック結晶構造になります。 したがって、得られたフィルムは特定の波長の可視光を反射して、見た目に美しい色、この場合は薄緑と青を得るが、セルロースナノクリスタル懸濁液を調整して赤などの他の色を得ることができるとシェン氏は述べた。

2 番目の層は多孔質エチルセルロースでできており、セルロース ナノクリスタル層を透過する光を散乱する働きがあります。 2 つの層の間で、PDRC に必要な色と広帯域の太陽光反射特性の両方が得られます。 シェンらは、 太陽光の下で着色フィルムの性能を測定したところ、フィルムは周囲の空気より約 7°F 温度が低く [修正] され、フィルム 1 平方メートルあたり約 120 ワットの冷却力が発生することがわかりました。これは平均的な家庭用エアコンに匹敵します。 Cユニット。

研究者らは、自社の製造プロセスが商業用途に向けて十分にスケールアップできると確信している。 標準的な製造ラインを使用して、一度に数メートルの製品を製造できるようになりました。 シェン氏によれば、建物や車を受動的に冷却するために使用されることに加えて（色が利用できるため、このフィルムは自動車産業にとって特に魅力的になるだろう）、天候や汚染レベルの変化を検出するセンサーとしても応用できる可能性がある。 研究チームはまた、フィルムのエチルセルロース層に、さまざまな種類の木材仕上げ材に見られるようなテクスチャーを追加する実験も行っており、これにより住宅やその他の建物で使用する際にフィルムをより魅力的にできる可能性がある。