Las películas 'pintadas' de nanocristales pueden algún día ayudar a aliviar el calor del verano

Sep 24, 2023

Las plumas de pavo real obtienen sus azules y verdes brillantes no de pigmentos coloreados, sino de estructuras microscópicas que refractan y reflejan la luz. Las películas delgadas de nanocristales utilizan una estrategia similar para exhibir tonos vibrantes sin calentarse a la luz del sol.

Sarayut Thaneerat/Momento/Getty Images Plus

Por Katie Grace Carpintero

hace 5 horas

A medida que aumenta el calor del verano, es posible que las futuras casas se enfríen, gracias a los recubrimientos de nanocristales de colores vibrantes.

Los revestimientos normales, como la pintura, se calientan al sol. Las nuevas películas de cristal se vuelven más frías que el aire que las rodea cuando se exponen a la luz solar. Lo hacen reflejando los rayos del sol y liberando ese calor al espacio exterior.

Esos recubrimientos podrían proporcionar una forma sostenible de mantenerse frescos, sin necesidad de energía, para automóviles, hogares y oficinas. Esto sería un gran paso adelante respecto a los acondicionadores de aire, que consumen mucha energía y pueden filtrar gases que se suman al calentamiento global.

Qingchen Shen y sus colegas crearon una colorida selección de los nuevos recubrimientos. Shen estudia ciencia de los materiales en la Universidad de Cambridge en Inglaterra. Su equipo compartió su trabajo el 26 de marzo en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS). Ocurrió en Indianápolis, Indiana.

Las superficies que se enfrían más que su entorno son inusuales.

La razón: los objetos calientes emiten calor a través de una luz infrarroja invisible. Transfieren su calor al aire que los rodea. Cuando el objeto y el aire alcanzan la misma temperatura, esa transferencia se detiene. Entonces el enfriamiento se detiene.

Esto explica por qué, digamos, el capó de un automóvil calentado por el sol emite calor que calienta el aire dentro y fuera del automóvil.

Pero ciertas longitudes de onda de la luz infrarroja no son absorbidas por el aire. Pueden escapar de la atmósfera hacia el espacio. Las nuevas películas liberan calor en estas longitudes de onda. Por lo tanto, pueden emitir calor sin calentar el aire circundante y enfriarse más que el aire que los rodea, incluso cuando están bañados por la luz del sol.

Este método de enfriamiento tiene un nombre largo: enfriamiento radiativo diurno pasivo. El equipo de Shen no inventó el proceso. Otros materiales también lo hacen. Pero por lo general, hay una compensación: hasta ahora, solo las superficies blancas o espejadas hacían esto. Tales superficies reflejan mucha luz, evitando que esa luz caliente la superficie.

Ahora, el equipo de Shen ha descubierto una manera de hacer superficies coloridas de enfriamiento pasivo. "Podemos producir rojo, verde y azul", dice Shen. Pero de lo que está realmente orgulloso son las diversas texturas. Han creado de todo, desde películas iridiscentes brillantes hasta un relajante grano de madera natural.

Las nuevas películas no obtienen su color de los pigmentos, que dan a las pinturas y la ropa sus matices. Esos químicos funcionan reflejando solo los colores de la luz que vemos y absorbiendo el resto. Esa luz absorbida calienta el material.

Por eso, "si te pones una camiseta negra, te calientas más que si te pones una camiseta blanca", explica Silvia Vignolini. Es química de la Universidad de Cambridge y también trabajó en las nuevas películas.

Si esas películas obtuvieran su color de los pigmentos, "absorberían parte de la luz solar y luego se calentarían", dice Shen. Eso "contrarrestaría el enfriamiento".

En cambio, el color de las películas proviene de estructuras microscópicas. Esto se conoce como color estructural. Los pequeños patrones en las superficies de las películas no absorben la luz. En cambio, las ondas de luz rebotan en ellos de formas particulares, de modo que solo ciertos colores llegan a nuestros ojos. Cambiar los patrones microestructurales cambia el color que vemos.

El color estructural es común en la naturaleza. El brillo del arco iris de una pompa de jabón proviene del color estructural. Las vibrantes plumas de un pavo real son otro ejemplo. También lo son las caras brillantes de algunos babuinos, dice Vignolini. Sus parches azules fríos provienen de pequeñas gotas de una proteína llamada colágeno.

El color de las nuevas películas proviene de diminutos cristales de celulosa. Están hechos de fibras vegetales. La celulosa no es solo abundante y ecológica. También emite calor como aquellas longitudes de onda infrarrojas que pueden escapar de la atmósfera.

La película tiene dos capas. El de arriba es celulosa cristalizada, que aporta el color. Diferentes patrones de cristal producen diferentes colores. Una forma diferente de celulosa, la etilcelulosa, constituye la capa inferior. Esta capa está picada y dispersa toda la luz que se filtra a través de la capa superior.

Piense en las partículas de luz como pinballs, dice Lucian Lucia. "Llegan a la superficie y rebotan: bum, bum, bum... como una bola de pinball en la máquina". Lucia estudia biomateriales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte en Raleigh. Él no era parte de este estudio.

Ambas capas de celulosa ayudan a que la película libere calor que se expande hacia el espacio. El enfoque de dos capas es lo que hace que este trabajo sea único, dice Lucia. El equipo de Cambridge, dice, logró "un enfoque bastante notable y simple hacia el enfriamiento".

El equipo hizo las películas una capa a la vez. Primero, secaron una mezcla acuosa de etilcelulosa en láminas delgadas. Luego extienden una fina capa de cristales de celulosa en agua encima de esto, como si fuera el glaseado de un pastel. A medida que se secaba ese "glaseado", sus cristales se unieron para formar la colorida capa superior. Ligeras variaciones en la forma del cristal producirán diferentes patrones y colores.

Bajo la luz del sol, las películas se enfriaron a 4 grados Celsius (7 grados Fahrenheit) por debajo de la temperatura del aire. Por la noche, la diferencia de temperatura fue de 9 grados C (16 grados F). El equipo de Shen presentó sus hallazgos antes de la reunión de ACS en Advanced Science.

Aún mejor, el equipo de Shen descubrió cómo hacer las películas en grandes cantidades, lo cual es "muy importante para su trabajo", señala Ran Zheng. Estudia ciencia de los materiales en la Universidad de California, Los Ángeles. Tal producción a gran escala hace que esta innovación sea más probable que se use en la vida real, explica. Si se utilizan para ayudar a mantener los edificios frescos bajo el sol del verano, señala, estos revestimientos podrían reducir la necesidad de aire acondicionado.

Esta es una de una serie que presenta noticias sobre tecnología e innovación, posible gracias al generoso apoyo de la Fundación Lemelson.

amplificar: Aumentar en número, volumen u otra medida de capacidad de respuesta.

atmósfera: La envoltura de gases que rodea la Tierra, otro planeta o una luna.

celulosa : Un tipo de fibra que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. Está formado por cadenas de moléculas de glucosa.

colágeno: Una proteína fibrosa que se encuentra en los huesos, cartílagos, tendones y otros tejidos conectivos.

fibra: Algo cuya forma se asemeja a un hilo o filamento.

calentamiento global : El aumento gradual de la temperatura general de la atmósfera terrestre debido al efecto invernadero. Este efecto es causado por el aumento de los niveles de dióxido de carbono, clorofluorocarbonos y otros gases en el aire, muchos de ellos liberados por la actividad humana.

infrarrojo : Un tipo de radiación electromagnética invisible para el ojo humano. El nombre incorpora un término latino y significa "debajo del rojo". La luz infrarroja tiene longitudes de onda más largas que las visibles para los humanos. Otras longitudes de onda invisibles incluyen rayos X, ondas de radio y microondas. La luz infrarroja tiende a registrar la firma de calor de un objeto o entorno.

innovación: (v. innovar; adj. innovador) Una adaptación o mejora a una idea, proceso o producto existente que es nuevo, inteligente, más efectivo o más práctico.

iridiscente: Adjetivo que describe algo que parece cambiar de color con un cambio en el ángulo en el que se ve o en el que se aplica la iluminación.

microscópico : Un adjetivo para las cosas demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista. Se necesita un microscopio para ver objetos tan pequeños como bacterias u otros organismos unicelulares.

partícula: Una cantidad mínima de algo.

pigmento : Un material, como los colorantes naturales de la piel, que alteran la luz reflejada por un objeto o transmitida a través de él. El color general de un pigmento generalmente depende de qué longitudes de onda de luz visible absorbe y cuáles refleja. Por ejemplo, un pigmento rojo tiende a reflejar muy bien las longitudes de onda rojas de la luz y normalmente absorbe otros colores. Pigmento también es el término para los productos químicos que los fabricantes usan para teñir la pintura.

proteína : Un compuesto hecho de una o más cadenas largas de aminoácidos. Las proteínas son una parte esencial de todos los organismos vivos. Forman la base de células vivas, músculos y tejidos; también hacen el trabajo dentro de las células. Los anticuerpos, la hemoglobina y las enzimas son ejemplos de proteínas.

rayo : (en matemáticas) Una línea que tiene un extremo definido en un lado, pero el otro lado continúa para siempre. (en biología) Un término para los miembros de peces con forma de cometa en la familia de los tiburones. En realidad, se parecen a tiburones aplanados con aletas anchas que parecen alas.

sostenible: (n. sustentabilidad) Un adjetivo para describir el uso de los recursos de tal manera que seguirán estando disponibles en el futuro.

único : Algo que es diferente a cualquier otra cosa; el único de su tipo.

longitud de onda : La distancia entre un pico y el siguiente en una serie de ondas, o la distancia entre un valle y el siguiente. También es una de las "varas de medir" que se utilizan para medir la radiación. La luz visible, que, como toda radiación electromagnética, viaja en ondas, incluye longitudes de onda entre aproximadamente 380 nanómetros (violeta) y aproximadamente 740 nanómetros (rojo). La radiación con longitudes de onda más cortas que la luz visible incluye rayos gamma, rayos X y luz ultravioleta. La radiación de longitud de onda más larga incluye luz infrarroja, microondas y ondas de radio.

Reunión: ​P.​ ​Shen​ ​et​ ​al.​ Películas celulósicas de enfriamiento radiativo coloreadas estructuralmente. Reunión de primavera de 2023 de la American Chemical Society. 26 de marzo de 2023.​ Indianápolis, Ind.​

diario:​ ​​W.​ ​Zhu​ ​et​ ​al.​ ​Películas celulósicas de enfriamiento radiativo coloreadas estructuralmente.​ ​Advanced Science.​ ​​Vol.​ ​9,​ 15 de septiembre de 2022. doi: 10.1002/advs.202202061.

Katie Grace Carpenter es escritora científica y desarrolladora de planes de estudio, con títulos en biología y biogeoquímica. También escribe ciencia ficción y crea videos de ciencia. Katie vive en los EE. UU. pero también pasa tiempo en Suecia con su esposo, que es chef.

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