De kleur van een materiaal kan je vaak iets vertellen over hoe het met warmte omgaat. Denk aan het dragen van een zwart shirt op een zinderende zomerdag - hoe donkerder het pigment, hoe warmer u zich waarschijnlijk zult voelen. Hetzelfde, hoe transparanter een glazen raam, hoe meer warmte het kan doorlaten. De reacties van een materiaal op zichtbare en infrarode straling zijn vaak van nature met elkaar verbonden.

Nu hebben MIT-ingenieurs monsters gemaakt van sterke, weefselachtig polymeer materiaal, waarvan ze de kleur- en warmte-eigenschappen onafhankelijk van elkaar kunnen afstemmen. Bijvoorbeeld, ze hebben monsters gemaakt van zeer dunne zwarte film die zijn ontworpen om warmte te reflecteren en koel te blijven. Ze hebben ook films gemaakt met een regenboog van andere kleuren, elk gemaakt om infraroodstraling te reflecteren of te absorberen, ongeacht de manier waarop ze reageren op zichtbaar licht.

De onderzoekers kunnen de kleur- en warmte-eigenschappen van dit nieuwe materiaal specifiek afstemmen op de vereisten voor een groot aantal uiteenlopende toepassingen, inclusief kleurrijke, warmtereflecterende gevels van gebouwen, ramen, en daken; licht absorberend, warmteafvoerende afdekkingen voor zonnepanelen; en lichtgewicht stof voor kleding, bovenkleding, tenten, en rugzakken - allemaal ontworpen om warmte vast te houden of te weerkaatsen, afhankelijk van de omgevingen waarin ze zouden worden gebruikt.

"Met dit materiaal alles zou er kleurrijker uit kunnen zien, want dan zou je je niet druk maken over wat kleur doet met de thermische balans van, zeggen, een gebouw, of een raam, of je kleding, " zegt Svetlana Boriskina, een onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT.

Boriskina is auteur van een studie die vandaag in het tijdschrift verschijnt Optische materialen Express , schetsen van de nieuwe materiaal-engineering techniek. Haar MIT-co-auteurs zijn Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, en Gang Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek, samen met Yassine Ait El Aoud en Richard Osgood III, beide van het Combat Capabilities Development Command Soldier Center, in Natick, Massachusetts.

Polymeer geleiders

Voor dit werk, Boriskina liet zich inspireren door de levendige kleuren in glas-in-loodramen, die al eeuwenlang worden gemaakt door deeltjes metalen en andere natuurlijke pigmenten aan glas toe te voegen.

"Echter, ondanks uitstekende visuele transparantie, glas heeft als materiaal veel beperkingen, " merkt Boriskina op. "Het is omvangrijk, onbuigzaam, breekbaar, verspreidt de warmte niet goed, en is uiteraard niet geschikt voor draagbare toepassingen."

Ze zegt dat hoewel het relatief eenvoudig is om de kleur van glas aan te passen, de reactie van het materiaal op warmte is moeilijk af te stemmen. Bijvoorbeeld, glazen panelen reflecteren warmte op kamertemperatuur en houden deze vast in de kamer. Verder, als gekleurd glas wordt blootgesteld aan invallend zonlicht vanuit een bepaalde richting, de warmte van de zon kan een hotspot creëren, die moeilijk te verdrijven is in glas. Als een materiaal als glas de warmte niet goed kan geleiden of afvoeren, dat warmte het materiaal kan beschadigen.

Hetzelfde geldt voor de meeste kunststoffen, die in elke kleur kunnen worden gemaakt, maar voor het grootste deel thermische absorbers en isolatoren zijn, het concentreren en vasthouden van warmte in plaats van het weg te reflecteren.

De afgelopen jaren, Chen's lab heeft manieren onderzocht om flexibele, lichtgewicht polymeermaterialen om te geleiden, in plaats van te isoleren, warmte, meestal voor toepassingen in de elektronica. In eerder werk, ontdekten de onderzoekers dat door polymeren zoals polyethyleen voorzichtig uit te rekken, ze konden de interne structuur van het materiaal veranderen op een manier die ook de warmtegeleidende eigenschappen veranderde.

Boriskina dacht dat deze techniek niet alleen nuttig zou kunnen zijn voor het fabriceren van op polymeren gebaseerde elektronica, maar ook in architectuur en kleding. Ze paste deze polymeerfabricagetechniek aan, een vleugje kleur toevoegen.

"Het is heel moeilijk om een ​​nieuw materiaal te ontwikkelen met al die verschillende eigenschappen erin, "zegt ze. "Meestal, als je één eigenschap afstemt, de andere wordt vernietigd. Hier, we zijn begonnen met één eigenschap die in deze groep werd ontdekt, en toen hebben we creatief een nieuw pand toegevoegd. Alles bij elkaar werkt het als een multifunctioneel materiaal."

Hotspots uitgestrekt

Om de kleurrijke films te fabriceren, het team begon met een mengsel van polyethyleenpoeder en een chemisch oplosmiddel, waaraan ze bepaalde nanodeeltjes toevoegden om de film een ​​gewenste kleur te geven. Bijvoorbeeld, zwarte film maken, ze voegden siliciumdeeltjes toe; ander rood, blauw, groente, en gele films werden gemaakt met toevoeging van verschillende commerciële kleurstoffen.

Het team bevestigde vervolgens elke in nanodeeltjes ingebedde film op een roll-to-roll-apparaat, die ze verhitten om de film zachter te maken, waardoor het plooibaarder werd terwijl de onderzoekers het materiaal zorgvuldig uitrekten.

Terwijl ze elke film uitrekten, ze vonden, niet verrassend, dat het materiaal transparanter werd. Ze merkten ook op dat de microscopische structuur van polyethyleen veranderde terwijl het uitrekte. Waar normaal gesproken de polymeerketens van het materiaal lijken op een ongeorganiseerde wirwar, vergelijkbaar met gekookte spaghetti, wanneer uitgerekt worden deze kettingen recht, parallelle vezels vormen.

Toen de onderzoekers elk monster onder een zonnesimulator plaatsten - een lamp die de zichtbare en thermische straling van de zon nabootst - ontdekten ze dat de meer uitgerekte film, hoe meer warmte het kon afvoeren. De lange, parallelle polymeerketens zorgden in wezen voor een directe route waarlangs warmte kon reizen. Langs deze ketens warmte, in de vorm van fononen, zou dan weg kunnen schieten van zijn bron, op een "ballistische" manier, voorkomen van de vorming van hotspots.

De onderzoekers ontdekten ook dat hoe minder ze het materiaal uitrekten, hoe meer isolerend het was, warmte vasthouden, en het vormen van hotspots binnen polymeerklitten.

Door de mate waarin het materiaal wordt uitgerekt te regelen, Boriskina kon de warmtegeleidende eigenschappen van polyethyleen controleren, ongeacht de kleur van het materiaal. Ze koos ook zorgvuldig de nanodeeltjes, niet alleen door hun visuele kleur, maar ook door hun interacties met onzichtbare stralingswarmte. Ze zegt dat onderzoekers deze techniek mogelijk kunnen gebruiken om dunne, flexibel, kleurrijke polymeerfilms, die warmte kan geleiden of isoleren, afhankelijk van de toepassing.

Vooruit gaan, ze is van plan een website te lanceren die algoritmen biedt om de kleur en thermische eigenschappen van een materiaal te berekenen, op basis van zijn afmetingen en interne structuur.

Naast films, haar groep werkt nu aan het fabriceren van in nanodeeltjes ingebedde polyethyleendraad, die aan elkaar kunnen worden genaaid om lichtgewicht kleding te vormen, ontworpen om ofwel isolerend, of koeling.

"Dit is nu in filmfactor, maar we verwerken het tot vezels en stoffen, " zegt Boriskina. "Polyethyleen wordt geproduceerd met miljarden tonnen en kan worden gerecycled, te. Ik zie geen significante belemmeringen voor grootschalige productie."