Пингвины вдохновили ученых на создание высокотехнологичной пленки для промышленности
Ученые из Харбинского технологического института, Хэнаньского педагогического университета и Сучжоуской лаборатории разработали материал, способный пассивно переключаться между режимами нагрева и охлаждения, управлять микроволновым излучением и отталкивать воду. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials. Источником вдохновения для ученых послужили пингвины — признанные мастера терморегуляции в живой природе.
При чем здесь пингвины?
На первый взгляд, пингвины и микроволны не имеют ничего общего. Однако наблюдение именно за этими птицами позволило исследователям совершить открытие. Терморегуляция пингвинов основана на многослойной структуре оперения и его водоотталкивающих свойствах. Организм пингвина работает как адаптивная система, перераспределяющая тепловые потоки в зависимости от внешних условий. Именно эту способность — пассивное, структурно обусловленное переключение между режимами теплообмена — учене позаимствовали в своем изобретении. Исследователи использовали еще одну особенность пингвинов — гидрофобность. Перья пингвинов отталкивают воду, что критично для выживания в Антарктике. Аналогичным образом поверхность нового материала сопротивляется обледенению.
Проблема, которую не могли решить десятилетиями
Сезонные перепады температур давно вынуждают инженеров выбирать: создавать покрытия, которые либо поглощают тепло зимой, либо отражают его летом. Совместить оба свойства в одном материале не удавалось — каждое решение работало только в одном направлении.
Ситуацию усложнила современная электроника: антенны, радары, спутники и беспроводные сети создали плотную электромагнитную среду, в которой тепловые и экранирующие свойства материалов вступают в прямое противоречие. Охлаждающие покрытия отражают свет, но плохо экранируют микроволны. Электромагнитные экраны, напротив, часто усиливают поглощение тепла.
Двуликий Янус из диоксида ванадия
Решением стала двусторонняя пленка, получившая название «Янус» — в честь двуликого римского бога. Ее ключевой компонент — диоксид ванадия (VO₂), соединение с уникальным фазовым переходом. При нагреве примерно до 68 °C материал резко переходит из диэлектрического состояния в металлическое, а его электрическое сопротивление падает в 10 000 раз. Именно это свойство обеспечивает динамическое управление микроволнами.
Как работает чудо-пленка
В лабораторных испытаниях нагревающая сторона пленки поглощала 94,5% солнечной энергии, разогреваясь до 73 °C в помещении и до 87 °C на улице. При нагреве частицы VO₂ образуют проводящие каналы внутри материала, которые позволяют поглощать и отражать микроволны. В X-диапазоне (используемом в радарах и спутниковой связи) прохождение микроволн падает с 83,6% до 0,06%. Эффективность экранирования при этом превышает 30 дБ. Для наглядности исследователи продемонстрировали, как Bluetooth-соединение работает при низкой температуре и полностью прерывается после нагрева пленки.
Оборотная сторона пленки работает ровно противоположным образом. Слой из частиц диоксида кремния с пористой структурой отражает более 90% солнечного света и излучает тепло в среднем инфракрасном диапазоне с эффективностью 97,1%. В полевых тестах охлаждающая сторона поддерживала температуру поверхности на 4–12 °C ниже окружающей среды. Таким образом, одна и та же пленка одновременно является солнечным коллектором с одной стороны и радиационным охладителем — с другой.
Оба слоя обладают супергидрофобностью: вода скатывается с поверхности, не оставляя следов. Это обеспечивает антиобледенительный эффект: в экспериментах замерзание откладывалось на 812 секунд, а при слабом солнечном свете и температуре около -6 °C накопившийся лед таял примерно за 17 минут.
Где могут применять изобретение
Авторы подсчитали, что применение материала в строительстве могло бы обеспечить экономию энергии около 38,9 МДж на квадратный метр в год (эквивалент ~11 кВт·ч). Перспективные области применения — адаптивные покрытия для зданий, транспортных средств, авиации и уличной электроники. Исследователи также не исключают военного и аэрокосмического применения: материал способен динамически изменять микроволновые характеристики в широком диапазоне частот от 8,2 до 40 ГГц.
Пока разработка находится на лабораторной стадии. Следующий этап — испытания на долгосрочную уличную стойкость и отработка промышленного производства.
