Combatir el calor: estas plantas

Jennifer Ouellette - 30 de mayo de 2023 9:58 p. m. UTC

El verano casi está aquí, trayendo temperaturas más altas y provocando que muchos de nosotros encendamos el aire acondicionado en los días particularmente calurosos. La desventaja del aire acondicionado es que las unidades consumen energía y pueden emitir gases de efecto invernadero, lo que contribuye aún más al calentamiento global. Por lo tanto, existe un gran interés en encontrar alternativas ecológicas. Científicos de la Universidad de Cambridge han desarrollado una nueva e innovadora película a base de plantas que se enfría cuando se expone a la luz solar, lo que la hace ideal para enfriar edificios o automóviles en el futuro sin necesidad de una fuente de energía externa. Describieron su trabajo en una reunión reciente de la American Chemical Society.

El término técnico para este enfoque es enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC), llamado así porque no requiere una inyección de energía en el sistema para dispersar el calor. La superficie emite su propio calor al espacio sin ser absorbido por el aire o la atmósfera, por lo que se vuelve varios grados más fría que el aire circundante sin necesidad de energía eléctrica.

"Sabemos que existe una transferencia térmica espontánea entre objetos con diferentes temperaturas", dijo Qingchen Shen en una conferencia de prensa durante la reunión. Su tecnología de enfriamiento explota esa transferencia térmica, con un giro. La mayoría de los materiales PDRC (pinturas, películas, etc.) son blancos o tienen un acabado espejado para lograr un reflejo de la luz solar de banda ancha. Los pigmentos o tintes interfieren con eso, ya que absorben longitudes de onda de luz específicas y solo reflejan ciertos colores, transformando así la energía de la luz en calor. Las películas creadas por Shen et al. están coloreados, pero es un color estructural en forma de nanocristales, no debido a la adición de pigmentos o colorantes. Por lo tanto, se puede agregar color sin sacrificar la eficiencia de enfriamiento pasivo.

Como se informó anteriormente, los colores iridiscentes brillantes en las alas de las mariposas, las pompas de jabón o las conchas de los escarabajos, por ejemplo, no provienen de ninguna molécula de pigmento sino de cómo están estructuradas las alas, un ejemplo natural de lo que los físicos llaman cristales fotónicos. En la naturaleza, las escamas de quitina (un polisacárido común en los insectos) están dispuestas como tejas. Esencialmente, forman una rejilla de difracción, excepto que los cristales fotónicos solo producen colores específicos o longitudes de onda de luz, mientras que una rejilla de difracción producirá todo el espectro, como un prisma. También conocidos como materiales fotónicos de banda prohibida, los cristales fotónicos son "sintonizables", lo que significa que están ordenados con precisión para bloquear ciertas longitudes de onda de luz mientras dejan pasar otras. Altere la estructura cambiando el tamaño de los mosaicos y los cristales se vuelven sensibles a una longitud de onda diferente.

Los científicos pueden fabricar sus propios materiales de colores estructurales en el laboratorio, pero puede ser un desafío ampliar el proceso para aplicaciones comerciales sin sacrificar la precisión óptica. Por lo tanto, crear colores estructurales como los que se encuentran en la naturaleza es un área activa de investigación de materiales.

Por ejemplo, el año pasado, los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts adaptaron una técnica de fotografía holográfica del siglo XIX inventada por el físico Gabriel Lippmann para desarrollar películas camaleónicas que cambian de color cuando se estiran. Las películas serían ideales para hacer vendajes que cambian de color en respuesta a la presión, lo que les permite a los profesionales médicos saber si están vendando una herida con demasiada fuerza, un factor importante cuando se tratan afecciones como úlceras venosas, úlceras por presión, linfedema y cicatrices. A los niños les encantaría usar vendajes que cambian de color, lo que sería una gran ayuda para los pediatras. Y ser capaz de hacer grandes láminas del material abre aplicaciones en prendas de vestir y ropa deportiva.

Un buen material PDRC debe permanecer más fresco que el aire que lo rodea durante el día, lo que significa que debe reflejar mucha luz solar sin absorberla. Shen y sus compañeros decidieron trabajar con materiales de origen vegetal para sus películas iridiscentes de enfriamiento pasivo, específicamente celulosa. "La celulosa es el polímero más abundante en la naturaleza", dijo Shen sobre la elección del material. "La celulosa se puede encontrar fácilmente en la madera o el algodón. Como material natural, la celulosa es sostenible y biocompatible. Y casi no absorbe la energía solar y tiene una emisividad térmica muy alta en la banda infrarroja. Estas propiedades son críticas para lograr enfriamiento radiativo".

El truco es usar dos capas distintas con diferentes funciones. Una capa comprende nanocristales de celulosa, que se pueden extraer de fuentes renovables como la madera, según Shen. Una vez extraídos, los nanocristales se dispersan en agua y, a medida que el agua se evapora, los nanocristales se autoensamblan en una estructura de cristal fotónico. Entonces, la película resultante reflejará la luz visible en longitudes de onda específicas para obtener esos colores estéticamente agradables, en este caso, verde claro y azul, aunque Shen dijo que uno podría ajustar la suspensión de nanocristales de celulosa para obtener otros colores como el rojo.

La segunda capa está hecha de etilcelulosa porosa, que sirve para dispersar cualquier luz que logre penetrar en la capa de nanocristales de celulosa. Entre las dos capas, se obtienen tanto el color como las propiedades de reflexión solar de banda ancha requeridas para PDRC. Cuando Shen et al. midieron el rendimiento de sus películas de colores bajo la luz del sol, encontraron que las películas eran casi 7° F más frías [corregidas] que el aire circundante y que un metro cuadrado de película generaba unos 120 vatios de potencia de enfriamiento, comparable a un hogar promedio A/ unidad C.

Los investigadores confían en que su proceso de fabricación se puede ampliar lo suficiente para aplicaciones comerciales; ya pueden fabricarlos varios metros a la vez utilizando una línea de fabricación estándar. Además de usarse para enfriar edificios y automóviles de forma pasiva (la disponibilidad de colores haría que las películas fueran especialmente atractivas para la industria automotriz, según Shen), las películas podrían adaptarse como sensores para detectar cambios en el clima o niveles de contaminación. El equipo también está experimentando con la adición de textura a la capa de etilcelulosa de sus películas, como la que se encuentra en diferentes tipos de acabados de madera, lo que podría hacerlas más atractivas para su uso en viviendas u otros edificios.