Inženjeri su decenijama primenjivali dva suprotna pristupa u upravljanju temperaturom površina – svetle površine koje reflektuju sunčevu energiju radi hlađenja i tamne koje je apsorbuju kako bi obezbedile zagrevanje. Međutim, takva rešenja pokazala su se kao ograničena u realnim uslovima, gde se spoljašnji uticaji neprestano menjaju.
Ilustracija (Foto: AI generated)
Površina koja leti efikasno odbija toplotu može zimi da dovede do gubitka korisne sunčeve energije, dok materijali koji akumuliraju toplotu postaju problematični pri visokim temperaturama.
Dodatni izazov predstavlja činjenica da se mnoge savremene konstrukcije nalaze u blizini antena i elektronskih uređaja, zbog čega je neophodno istovremeno upravljati i elektromagnetnim signalima.
Oglas
Upravo iz tog razloga razvijen je novi materijal inspirisan načinom na koji pingvini regulišu toplotu – adaptivna folija koja može da menja svoje karakteristike u zavisnosti od uslova okruženja.
Ova tehnologija ne funkcioniše kao pasivni premaz, već kao "pametna koža" koja po potrebi apsorbuje ili reflektuje sunčevu energiju, ali i reguliše prolaz mikrotalasnih signala – bez upotrebe mehaničkih sistema ili elektronike.
Dvostruka struktura
Ključ inovacije leži u takozvanoj Janus strukturi, nazvanoj po rimskom bogu sa dva lica, gde svaka strana materijala ima različitu funkciju.
Jedna strana je namenjena zagrevanju i zasnovana je na vanadijum-dioksidu, materijalu koji menja električna svojstva u zavisnosti od temperature. Na nižim temperaturama ponaša se kao izolator, dok pri zagrevanju (oko 68°C) postaje provodnik.
Ova promena omogućava formiranje provodnih puteva unutar fleksibilne polimerne matrice, čime se povećava interakcija sa elektromagnetnim talasima.
U eksperimentalnim uslovima, ova površina apsorbuje čak 94,5% sunčeve energije, dostižući temperature do 73°C u laboratoriji, odnosno oko 87°C u spoljnim uslovima.
Suprotna strana ima funkciju hlađenja. Zahvaljujući silicijumskim česticama i poroznoj strukturi, ona reflektuje više od 90% sunčevog zračenja i istovremeno efikasno emituje toplotu u infracrvenom spektru. Na taj način površina može da bude i do 12°C hladnija od okoline.
Temperatura kao prekidač za signale
Posebnu vrednost ovog materijala predstavlja njegova sposobnost da istovremeno upravlja elektromagnetnim talasima. Na sobnoj temperaturi, materijal omogućava prolaz signala uz minimalne gubitke. Međutim, sa porastom temperature dolazi do naglog pada električnog otpora, čime površina prelazi u režim zaštite i blokira signal.
U X-opsegu, koji se koristi u radarima i komunikacionim sistemima, propusnost mikrotalasa opada sa 83,6% na svega 0,06%, dok efikasnost zaštite prelazi 30dB. U praktičnom testu, Bluetooth veza je funkcionisala u normalnim uslovima, ali je prekinuta nakon zagrevanja materijala.
Otpornost na vodu i led
Dodatna inspiracija iz prirode ogleda se u hidrofobnim svojstvima površine. Oba sloja su superhidrofobna, što znači da se voda zadržava u kapima i lako otklanja sa površine. Ovo omogućava stabilne performanse u slučaju kiše ili mraza, kao i kod nakupljanja prljavštine.
Materijal pokazuje i sposobnost odlaganja zaleđivanja do 812 sekundi, dok se led može otopiti za oko 17 minuta čak i pri temperaturama ispod nule.
Potencijal u građevinarstvu i industriji
Značaj ovog rešenja ogleda se u činjenici da jedan materijal objedinjuje funkcije koje su do sada zahtevale više različitih sistema. U građevinarstvu bi mogao da se primenjuje na objektima koji bi zimi koristili stranu za zagrevanje, a leti za hlađenje, čime bi se smanjila potrošnja energije.
Procene pokazuju da bi godišnja ušteda mogla dostići oko 38,9MJ/m2, što odgovara količini energije dovoljne za više stotina punjenja mobilnih uređaja.
Primena je moguća i u vozilima, kao i u kućištima elektronskih uređaja, gde je potrebno dinamički upravljati temperaturom i signalima u zavisnosti od uslova rada.
Sledeći koraci razvoja
Iako rezultati laboratorijskih i početnih testova deluju obećavajuće, naredni korak podrazumeva dugoročna ispitivanja u realnim uslovima, kao i unapređenje proizvodnog procesa kako bi se omogućila šira primena.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Advanced Functional Materials, a dalji razvoj mogao bi da otvori put ka novoj generaciji multifunkcionalnih materijala.
