Opracowanie nowych pasywnych materiałów grzewczych i chłodzących, które mogą znacząco zmniejszyć zużycie energii w budownictwie – jest celem projektu – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki. Inspiracją dla naukowców są skrzydła czarnego motyla.

Konkretnie chodzi o gatunek Troides magellanus. "Jego skrzydła pochłaniają światło lepiej niż wiele nowoczesnych materiałów opracowanych przez człowieka. Natura wyprzedziła nas o miliony lat – teraz próbujemy za nią nadążyć. Te skrzydła wykazują 98 proc. absorpcji światła widzialnego, co oznacza, że niemal całkowicie pochłaniają padające na nie promieniowanie w tym zakresie. Tak wysoki poziom absorpcji to efekt złożonej mikro- i nanostruktury powierzchni, która działa jak naturalna 'pułapka na światło'" – czytamy w informacji prasowej przesłanej przez biuro promocji Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki.

Motyle inspirują naukowców

Co ciekawe, te motyle mają ubarwienie ekstremalnie czarne oraz bardzo jasne, niemal białe. "Ich niezwykłe kolory nie są efektem pigmentu, lecz mikrostruktur – specjalnych wzorów na ich skrzydłach. Te struktury odpowiadają za ich zdolność do silnej absorpcji (w przypadku bardzo czarnych) lub silnego odbijania światła słonecznego (w przypadku bardzo białych), co jest kluczowe dla efektywnej regulacji temperatury ciała tych zwierząt" – tłumaczyli badacze.

I właśnie tymi motylami zainspirował się zespół badaczy, którym kieruje dr hab. Michał Borysiewicz. Badania przeprowadzą m.in. specjaliści od nanomateriałów, termoelektryki, fizycy, zoolodzy i eksperci od modelowania optycznego.

Głównym ich celem jest znalezienie związków pomiędzy strukturą a właściwościami termicznymi inspirowanych naturą, nieorganicznych, bardzo czarnych i bardzo białych, cienkowarstwowych materiałów, w odniesieniu do ich naturalnych odpowiedników występujących u owadów.

Plany naukowców 

Dla badaczy będzie to punkt wyjścia do opracowania cienkowarstwowych, bioinspirowanych powłok: pochłaniających światło (jak skrzydła czarnych motyli, idealne do pasywnego ogrzewania) oraz odbijających światło (jak pancerze białych owadów, skutecznie wspomagające chłodzenie).

Badacze chcą też lepiej zrozumieć ewolucję owadów przez wykonywanie w laboratorium analogów skrzydeł motyli z opracowanych materiałów.

Jak zapowiadają naukowcy, opracowywane powłoki mogą w przyszłości pokrywać elementy budynków lub urządzeń i częściowo zastępować systemy klimatyzacyjne czy grzewcze o wysokim zużyciu energii – bez potrzeby zasilania zewnętrznego.

Tworzenie nowych materiałów 

Naukowcy planują wytworzyć nowe materiały na drodze magnetronowego rozpylania katodowego, aby w taki sposób uzyskać struktury analogiczne do tych występujących u owadów - o takich samych właściwościach optycznych i termicznych. Jak tłumaczyli badacze w informacji, magnetronowe rozpylanie katodowe to nowoczesna technika, w której do wnętrza specjalnej komory wprowadza się gaz (np. argon), w komorze umieszcza się materiał, z którego chcemy uzyskać powłokę. W wyniku działania pola magnetycznego i napięcia, jony gazu "uderzają" w ten materiał, z jego powierzchni "wybijane" są atomy, które osadzają się na powierzchni powlekanej, tworząc bardzo cienką, jednorodną warstwę.

Wskazano też, że następnie zostaną przeprowadzone pomiary odbicia światła i dzięki tym danym eksperymentalnym, uzupełnionymi o dane teoretyczne, możliwe będzie określenie własności struktur. Na koniec zostaną przygotowane moduły termoelektryczne, które zostaną pokryte opracowanymi warstwami i poddawane działaniu promieniowania słonecznego, aby jakościowo i ilościowo określić, czy opracowane powłoki pochłaniają i odbijają ciepło słoneczne.

Projekt jest realizowany przez interdyscyplinarne konsorcjum: naukowców zajmujących się nanomateriałami i termoelektryką z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki; fizyków z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, specjalizujących się w charakteryzacji struktur; zoologów owadów z Centrum Edukacji Przyrodniczej Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz ekspertów od modelowania optycznego z Uniwersytetu w Chicago i Karlsruhe Institut of Technology.

akp/ zan/

Fot. Depositphotos