„Bemalte“ Nanokristallfilme könnten eines Tages helfen, die Sommerhitze zu lindern

Sep 24, 2023

Pfauenfedern erhalten ihre leuchtenden Blau- und Grüntöne nicht durch Farbpigmente, sondern durch mikroskopische Strukturen, die Licht brechen und reflektieren. Dünne Nanokristallfilme nutzen eine ähnliche Strategie, um lebendige Farbtöne zu präsentieren, ohne sich im Sonnenlicht zu erwärmen.

sarayut Thaneerat/Moment/Getty Images Plus

Von Katie Grace Carpenter

5 Stunden zuvor

Wenn der Sommer wärmer wird, können künftige Häuser dank Beschichtungen aus leuchtend farbigen Nanokristallen abkühlen.

Normale Beschichtungen, wie zum Beispiel Farbe, erhitzen sich in der Sonne. Die neuen Kristallfolien werden bei Sonneneinstrahlung kühler als die sie umgebende Luft. Sie tun dies, indem sie die Sonnenstrahlen reflektieren und diese Wärme an den Weltraum abgeben.

Diese Beschichtungen könnten eine nachhaltige Möglichkeit bieten, Autos, Häuser und Büros kühl zu halten – ohne dass Strom erforderlich ist. Dies wäre ein großer Fortschritt gegenüber Klimaanlagen, die viel Energie verschlingen und Gase austreten lassen, die zur globalen Erwärmung beitragen.

Qingchen Shen und seine Kollegen haben eine bunte Auswahl der neuen Beschichtungen zusammengestellt. Shen studiert Materialwissenschaften an der Universität Cambridge in England. Sein Team stellte seine Arbeit am 26. März auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. Es fand in Indianapolis, Indiana, statt.

Ungewöhnlich sind Oberflächen, die kühler werden als ihre Umgebung.

Der Grund: Heiße Gegenstände geben durch unsichtbares Infrarotlicht Wärme ab. Sie geben ihre Wärme an die sie umgebende Luft ab. Wenn das Objekt und die Luft die gleiche Temperatur erreichen, stoppt diese Übertragung. Die Kühlung hört also auf.

Dies erklärt, warum beispielsweise eine von der Sonne erwärmte Motorhaube Wärme abgibt, die die Luft innerhalb und außerhalb des Autos erwärmt.

Bestimmte Wellenlängen des Infrarotlichts werden jedoch von der Luft nicht absorbiert. Sie können der Atmosphäre in den Weltraum entkommen. Bei diesen Wellenlängen geben die neuen Folien Wärme ab. So können sie Wärme abgeben, ohne die Umgebungsluft zu erwärmen – und selbst bei Sonneneinstrahlung kühler als die Luft um sie herum werden.

Diese Kühlmethode hat einen langen Namen: passive Strahlungskühlung am Tag. Shens Team hat den Prozess nicht erfunden. Andere Materialien tun es auch. Aber typischerweise gibt es einen Kompromiss: Bisher war dies nur bei weißen oder verspiegelten Oberflächen der Fall. Solche Oberflächen reflektieren viel Licht und verhindern so, dass dieses Licht die Oberfläche erwärmt.

Jetzt hat Shens Team einen Weg gefunden, farbenfrohe Oberflächen mit passiver Kühlung herzustellen. „Wir können Rot, Grün und Blau produzieren“, sagt Shen. Aber worauf er wirklich stolz ist, sind die verschiedenen Texturen. Sie haben alles geschaffen, von glitzernden schillernden Filmen bis hin zu einer beruhigenden natürlichen Holzmaserung.

Die neuen Folien erhalten ihre Farbe nicht durch Pigmente, die Farben und Kleidung ihre Farbtöne verleihen. Diese Chemikalien wirken, indem sie nur die Farben des Lichts reflektieren, die wir sehen, und den Rest absorbieren. Das absorbierte Licht erhitzt das Material.

Deshalb „wird einem wärmer, wenn man ein schwarzes T-Shirt trägt, als wenn man ein weißes T-Shirt trägt“, erklärt Silvia Vignolini. Sie ist Chemikerin an der Universität Cambridge und hat auch an den neuen Filmen gearbeitet.

Wenn diese Filme ihre Farbe durch Pigmente bekämen, würden sie „einen Teil des Sonnenlichts absorbieren und sich dann erhitzen“, sagt Shen. Das würde „der Abkühlung entgegenwirken.“

Stattdessen entsteht die Farbe der Filme durch mikroskopische Strukturen. Dies wird als Strukturfarbe bezeichnet. Winzige Muster auf der Folienoberfläche absorbieren kein Licht. Stattdessen werden Lichtwellen auf bestimmte Weise von ihnen reflektiert, sodass nur bestimmte Farben unser Auge erreichen. Durch die Veränderung der Mikrostrukturmuster verändert sich die Farbe, die wir sehen.

Strukturfarben kommen in der Natur häufig vor. Der Regenbogenglanz einer Seifenblase entsteht durch die Strukturfarbe. Ein weiteres Beispiel sind die leuchtenden Federn eines Pfaus. Das gilt auch für die strahlenden Gesichter mancher Paviane, sagt Vignolini. Ihre kühlen blauen Flecken entstehen aus winzigen Kügelchen eines Proteins namens Kollagen.

Die Farbe der neuen Folien entsteht durch winzige Zellulosekristalle. Sie werden aus Pflanzenfasern hergestellt. Zellulose ist nicht nur reichlich vorhanden und umweltfreundlich. Es strahlt auch Wärme in Form von Infrarotwellenlängen ab, die aus der Atmosphäre entweichen können.

Die Folie besteht aus zwei Schichten. Die oberste Schicht besteht aus kristallisierter Zellulose, die für die Farbe sorgt. Unterschiedliche Kristallmuster erzeugen unterschiedliche Farben. Die untere Schicht besteht aus einer anderen Form von Zellulose – Ethylzellulose. Diese Schicht weist Löcher auf und streut das gesamte Licht, das durch die oberste Schicht dringt.

Stellen Sie sich Lichtteilchen als Flipperbälle vor, sagt Lucian Lucia. „Sie treffen auf die Oberfläche und springen ab – bumm, bumm, bumm … wie ein Flipper im Automaten.“ Lucia studiert Biomaterialien an der North Carolina State University in Raleigh. Er war nicht Teil dieser Studie.

Beide Zelluloseschichten tragen dazu bei, dass die Folie Wärme abgibt, die in den Weltraum entweicht. Der zweischichtige Ansatz macht diese Arbeit einzigartig, sagt Lucia. Das Cambridge-Team sei „einen ziemlich bemerkenswerten und einfachen Ansatz zur Kühlung“ gelungen, sagt er.

Das Team erstellte die Filme Schicht für Schicht. Zuerst trockneten sie eine wässrige Mischung aus Ethylzellulose zu dünnen Blättern. Darauf verteilen sie eine dünne Schicht Zellulosekristalle in Wasser, als würden sie einen Kuchen damit bestreichen. Als diese „Glasur“ trocknete, verbanden sich ihre Kristalle und bildeten die farbenfrohe Oberschicht. Leichte Variationen in der Kristallform führen zu unterschiedlichen Mustern – und Farben.

Unter Sonnenlicht kühlten die Filme auf 4 Grad Celsius (7 Grad Fahrenheit) unter die Lufttemperatur ab. Nachts betrug der Temperaturunterschied 9 Grad C (16 Grad F). Shens Team stellte seine Ergebnisse vor dem ACS-Treffen in Advanced Science vor.

Noch besser ist, dass Shens Team herausgefunden hat, wie man die Filme in großen Mengen produziert, was „sehr wichtig für ihre Arbeit“ ist, bemerkt Ran Zheng. Er studiert Materialwissenschaften an der University of California, Los Angeles. Eine solche Großserienproduktion erhöhe die Wahrscheinlichkeit, dass diese Innovation im wirklichen Leben zum Einsatz komme, erklärt er. Wenn diese Beschichtungen dazu beitragen, Gebäude in der Sommersonne kühl zu halten, könnten diese Beschichtungen den Bedarf an Klimaanlagen verringern, fügt er hinzu.

Dies ist Teil einer Reihe mit Neuigkeiten zu Technologie und Innovation, die durch die großzügige Unterstützung der Lemelson Foundation ermöglicht wurde.

verstärken: Zur Erhöhung der Anzahl, Lautstärke oder eines anderen Maßes der Reaktionsfähigkeit.

Atmosphäre: Die Gashülle, die die Erde, einen anderen Planeten oder einen Mond umgibt.

Zellulose : Eine Faserart, die in pflanzlichen Zellwänden vorkommt. Es besteht aus Ketten von Glukosemolekülen.

Kollagen: Ein faseriges Protein, das in Knochen, Knorpel, Sehnen und anderen Bindegeweben vorkommt.

Faser: Etwas, dessen Form einem Faden oder Filament ähnelt.

globale Erwärmung : Der allmähliche Anstieg der Gesamttemperatur der Erdatmosphäre aufgrund des Treibhauseffekts. Dieser Effekt wird durch erhöhte Konzentrationen von Kohlendioxid, Fluorchlorkohlenwasserstoffen und anderen Gasen in der Luft verursacht, von denen viele durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden.

Infrarot : Eine Art elektromagnetischer Strahlung, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Der Name enthält einen lateinischen Begriff und bedeutet „unter Rot“. Infrarotlicht hat längere Wellenlängen als die für den Menschen sichtbaren. Zu den weiteren unsichtbaren Wellenlängen zählen Röntgenstrahlen, Radiowellen und Mikrowellen. Infrarotlicht neigt dazu, die Wärmesignatur eines Objekts oder einer Umgebung aufzuzeichnen.

Innovation: (v. innovieren; Adj. innovativ) Eine Anpassung oder Verbesserung einer bestehenden Idee, eines bestehenden Prozesses oder Produkts, die neu, clever, effektiver oder praktischer ist.

irisierend: Adjektiv, das etwas beschreibt, das seine Farbe zu ändern scheint, wenn sich der Betrachtungswinkel oder die Beleuchtung ändert.

mikroskopisch : Ein Adjektiv für Dinge, die zu klein sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Um so kleine Objekte wie Bakterien oder andere einzellige Organismen zu betrachten, braucht man ein Mikroskop.

Partikel: Eine winzige Menge von etwas.

Pigment : Ein Material, ähnlich den natürlichen Farbstoffen der Haut, das das von einem Objekt reflektierte oder durch es hindurchgelassene Licht verändert. Die Gesamtfarbe eines Pigments hängt typischerweise davon ab, welche Wellenlängen des sichtbaren Lichts es absorbiert und welche es reflektiert. Beispielsweise neigt ein rotes Pigment dazu, rote Lichtwellenlängen sehr gut zu reflektieren und absorbiert typischerweise andere Farben. Pigment ist auch die Bezeichnung für Chemikalien, die Hersteller zum Abtönen von Farben verwenden.

Eiweiß : Eine Verbindung aus einer oder mehreren langen Aminosäureketten. Proteine ​​sind ein wesentlicher Bestandteil aller lebenden Organismen. Sie bilden die Grundlage lebender Zellen, Muskeln und Gewebe; Sie erledigen auch die Arbeit innerhalb von Zellen. Antikörper, Hämoglobin und Enzyme sind Beispiele für Proteine.

Strahl : (in der Mathematik) Eine Linie, die auf einer Seite einen definierten Endpunkt hat, auf der anderen Seite jedoch ewig weitergeht. (in der Biologie) Ein Begriff für Mitglieder drachenförmiger Fische aus der Familie der Haie. Sie ähneln tatsächlich abgeflachten Haien mit breiten Flossen, die an Flügel erinnern.

nachhaltig: (n. Nachhaltigkeit) Ein Adjektiv, das den Einsatz von Ressourcen so beschreibt, dass sie auch in Zukunft noch verfügbar sind.

einzigartig : Etwas, das anders ist als alles andere; der einzige seiner Art.

Wellenlänge : Der Abstand zwischen einem Gipfel und dem nächsten in einer Reihe von Wellen oder der Abstand zwischen einem Tiefpunkt und dem nächsten. Es ist auch einer der „Maßstäbe“ zur Messung der Strahlung. Sichtbares Licht – das sich wie alle elektromagnetische Strahlung in Wellen ausbreitet – umfasst Wellenlängen zwischen etwa 380 Nanometern (violett) und etwa 740 Nanometern (rot). Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als sichtbares Licht umfasst Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolettes Licht. Zu den längerwelligen Strahlungen zählen Infrarotlicht, Mikrowellen und Radiowellen.

Treffen:​​ ​Q.​ ​Shen​ ​et​ ​al.​ Strukturell gefärbte, strahlungskühlende Zellulosefilme. Frühjahrstagung 2023 der American Chemical Society. 26. März 2023.​ Indianapolis, Ind.​

Tagebuch:​ ​​W.​ ​Zhu​ ​et​ ​al.​ ​Strukturell gefärbte Strahlungskühlungs-Zellulosefilme.​ ​​Advanced Science.​ Vol.​ ​9,​ 15. September 2022​. doi:​​ 10.1002/advs.202202061.

Katie Grace Carpenter ist Wissenschaftsautorin und Lehrplanentwicklerin mit Abschlüssen in Biologie und Biogeochemie. Sie schreibt außerdem Science-Fiction und erstellt Wissenschaftsvideos. Katie lebt in den USA, verbringt aber auch Zeit mit ihrem Mann, der Koch ist, in Schweden.

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