من المنطقي: عندما يكون الجو حارًا في الخارج ، لا ترتدي قميصًا داكنًا – بل ارتدِ الأبيض بدلًا من ذلك. وضع فريق من الباحثين في جامعة بوردو هذه المعرفة المشتركة للعمل على اكتشاف طرق لذلك المباني الرائعةو الطائرات وحتى السيارات مع أكثر الدهانات بياضًا في العالم.
مفهوم استخدام الطلاء الأبيض لصرف الحرارة ليس جديدًا. منذ سبعينيات القرن الماضي ، كان العلماء والمصنعون يطورون دهانات أكثر بياضًا وأكثر بياضًا للمساعدة في عكس ضوء الشمس والحفاظ على برودة المباني والأسطح الأخرى. ومع ذلك ، تعكس الدهانات الأكثر بياضًا المتوفرة في السوق اليوم 90٪ من الضوء – وهو رقم يبدو مرتفعًا ولكنه يعني أنها لا تزال تمتص 10٪ من ضوء الشمس وبالتالي لا يمكنها تبريد السطح تحت درجة الحرارة المحيطة.
في عام 2014 ، مجموعة من ستانفورد كتب ورقة على استخدام طبقات من الأسطح العاكسة للمركبات غير العضوية لعكس ضوء الشمس والأسطح الباردة تحت درجة الحرارة المحيطة أثناء النهار ، وهي عملية رغم فعاليتها ، إلا أنها كانت باهظة الثمن وغير قابلة للتطوير. بدأ أستاذ الهندسة بجامعة بوردو Xiulin Ruan ، المستوحى من أعمال جامعة ستانفورد ، في التساؤل عن المزيد من التطبيقات العملية لتقنية النانو في العمل مع الدهانات ، وتحديداً لمكافحة تغير المناخ.
“لم نكن نفكر حقًا في تطوير بياضا قال روان. “خلفيتي هي كمهندس مدني وباحث ، لذا فأنا أهتم بهذه الحرارة. بدأت أتساءل ، هل يمكننا الحصول على تكنولوجيا النانو القابلة للتطوير … حتى يمكننا إعادة النظر في الدهانات لصنعها [cooling] عمل؟”
Ruan وفريقه الفائزين في 2023 معرض جيزمودو للعلوم، بمحاولة تحسين طلاء تجاري موجود مسبقًا يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم ، لكنهم أدركوا أن ثاني أكسيد التيتانيوم يمتص ضوء الأشعة فوق البنفسجية. قال روان: “هذا يحد بشكل أساسي من الأداء”. بدأ فريقه في تجربة تركيبات مختلفة من الطلاء الأبيض تتضمن مركبات مختلفة لا تمتص ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، واللعب مع حجم الجسيمات وتركيز الجسيمات لتحقيق انعكاس أعلى وأعلى.
قد تحصل G / O Media على عمولة
قال روان: “لقد أمضينا سنوات عديدة في إجراء الصياغات والمحاكاة ، واستغرق الأمر العديد من باحثي ما بعد الدكتوراة وطلاب الدكتوراه لاكتشاف الحيل”. “كان علينا حقًا دمج جميع العوامل ودفعها إلى أقصى الحدود لتحقيق هذا الأداء الفائق.”
في النهاية ، توصل فريق روان إلى طلاء يستخدم تركيزات عالية من جزيئات كبريتات الباريوم بأحجام مختلفة ، والتي كانت قادرة على عكس 95٪ من ضوء الشمس. لقد كانت فعالة للغاية لدرجة أنها تجاوزت الرقم القياسي الخاص بها بسرعة ، وفي عام 2021 ابتكرت دهانًا يعكس 98.1٪ من ضوء الشمس. إنه حاليًا أكثر الألوان بياضًا على هذا الكوكب.
بعد نجاح عام 2021 ، بدأ Ruan في تلقي استفسارات من أشخاص في صناعات مثل الطيران والطيران ، ممن كانوا مهتمين بكيفية استخدام الطلاء لتبريد منتجاتهم. “لقد طرحوا علينا سؤالين: هل يمكنك جعل هذا أكثر نحافة ، وهل يمكنك جعله أخف وزناً؟” هو قال.
على الرغم من أن طلاء كبريتات الباريوم شديد الانعكاس ، إلا أنه يتطلب طبقة بسماكة 0.4 ملم على الأقل ليكون فعالًا – وهو أمر غير ناجح في الصناعات التي تسعى إلى جعل منتجاتها خفيفة قدر الإمكان. لم يكن الطلاء أيضًا شديد اللزوجة: تمت صياغة طلاء كبريتات الباريوم على شكل هلام لتحقيق أقصى قدر من الفعالية ، مما يجعل من الصعب تطبيقه على الأسطح غير المباني أو الهياكل.
قال روان: “ليس من السهل جعل الطلاء قابلًا للطلاء أو الرش أو السحق”.
استغل زميله في جامعة بيرديو جورج تشيو ، الذي لديه خلفية في الضوئيات والطباعة الرقمية ، بالإضافة إلى اثنين من طلاب الدكتوراة ، أندريا فيليسيلي وإيوانا كاتسامبا ، لاكتشاف طريقة للحفاظ على الخصائص العاكسة للضوء لكبريتات الباريوم بدون الأمتعة الإضافية. يضيف المجمع.
قال فيليسيلي ، الذي يركز بحثه على المركبات النانوية المستوحاة بيولوجيًا: “تتمتع كبريتات الباريوم بخصائص عاكسة تسمح لنا بالبقاء تحت درجة الحرارة المحيطة”. “لكنه يساهم أيضًا كثيرًا في وزن الطلاء.”
بدأوا في البحث عن مواد مختلفة لاستخدامها في صياغة جديدة للطلاء. استقروا في النهاية على نيتريد البورون السداسي ، وهو مركب غير عضوي يستخدم في الغالب في مواد التشحيم. لم يتم كتابة الكثير من الأدبيات حول كيف يساعد شكل الجسيمات في عكس ضوء الشمس ، وكُلِّف كاتسامبا بنمذجة كيف يساعد نيتريد البورون في جعل الطلاء انعكاسًا – وهو موضوع لم يتم تناوله من قبل. نيتريد البورون له شكل فريد يسمى الصفيحات النانوية ، والذي أثبت أنه يساعده على صد أشعة الشمس بشكل أكثر فعالية من الجزيئات الكروية في المركبات الأخرى.
قال كاتسامبا: “تُظهر عمليات المحاكاة أن خصائص نيتريد البورون التي تختلف عن كبريتات الباريوم ليست فقط ، ولكن أيضًا الشكل الذي يساعد حقًا في تحقيق الانعكاسية العالية التي لدينا الآن”.
حتى بعد الاستقرار على مركب أظهرت النماذج أنه سيكون رائعًا في عكس ضوء الشمس ، فإن صنع الطلاء نفسه لا يزال يمثل تحديًا – لا سيما بالنظر إلى أن مورفولوجيا البورون نيتريد جعلت بعض الدهانات أكثر سمكًا وأقل لزوجة.
قال فيليسيلي: “لقد واجهنا بالتأكيد بعض المشكلات في جعل الجزيئات تندمج بالكامل في خليط الطلاء”. “ولكن بمرور الوقت ، تمكنا من حل تقنيات المعالجة المختلفة. وتمكنا من تحقيق تطبيق مشابه جدًا لطلاءك الأبيض التجاري المعتاد “.
يكون الطلاء الناتج باستخدام نيتريد البورون فعالًا تقريبًا مثل الصيغة الأولى مع كبريتات الباريوم: يمكن أن يعكس ما يصل إلى 97.9٪ من ضوء الشمس. والأكثر من ذلك ، أنها تتطلب طبقة 0.15 ملليمتر فقط لتكون فعالة ، وبفضل الهيكل المسامي للمركب الذي يحتوي على الكثير من الهواء ، يزن 80٪ أقل من طلاء كبريتات الباريوم.
بينما لا يمكنك الخروج وشراء هذا الطلاء شديد البياض في الوقت الحالي ، قال روان إن الفريق يجري محادثات مع الشركات المصنعة لبدء عملية تصنيعه وبيعه كمنتج. يتم أيضًا تحسين الطلاء واختباره لضمان قدرته على مقاومة الأوساخ ويمكن أن يستمر لفترة طويلة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية مثل الدهانات البيضاء التجارية. قال روان إنه مهتم أيضًا بإنشاء طلاء عاكس بألوان مختلفة ، بالإضافة إلى الدهانات التي يمكن أن تتحول من عاكس إلى ماص ، اعتمادًا على الموسم – مثل نسخة بحجم المبنى من أدوات الشرب التي يتغير لونها عندما تصب ساخنًا. أو الماء البارد فيه.
قال “في الوقت الحالي ، الطلاء مخصص للتبريد ، لذا فهو رائع للمناخات الحارة”. لكن في ولاية إنديانا ، على سبيل المثال ، نحتاج إلى تدفئة في الشتاء. سيكون من الرائع أن تتمكن من التبديل من الطلاء الأكثر بياضًا في الصيف إلى اللون الذي يمكنه امتصاص أشعة الشمس. وهذا يمثل تحديًا لجعلها فعالة من حيث التكلفة ، لجعلها قابلة للتطوير. نحن نحقق في الأمر ، ولا يمكننا الكشف عن جميع التفاصيل الآن ، ولكن يمكننا التعلم من الطبيعة لمساعدتنا على فهم كيفية جعل هذه الأنواع من التقنيات ممكنة “.
اقرأ أكثر: الطلاء الأكثر بياضًا في العالم هو الأروع حرفيًا
