Yaz sıcakları her yıl artarken, geleceğin evleri ve arabaları için bir çözüm ortaya çıkabilir: nanokristal boyalı filmler. Bu renkli kaplamalar, klimanın aksine elektrik gerektirmeden serinlemeyi sağlayabilir.
Geleneksel boyalar güneş altında ısınırken, yeni kristal filmler güneş ışığına maruz kaldıklarında etraflarındaki havadan daha soğuk olabilirler. Bunun nedeni, güneş ışınlarını yansıtarak ve bu ısıyı uzaya yayarak çalışmalarıdır.
Bu kaplamalar, arabalar, evler ve ofisler gibi yapılar için enerji tüketmeden serin kalmanın sürdürülebilir bir yolunu sunabilir. Bu, enerji yoğunluğu yüksek ve küresel ısınmaya katkıda bulunan klimalardan büyük bir adım olabilir.
Qingchen Shen ve ekibi, renkli kaplamaları geliştirmek için nanokristalleri kullandı. Shen, Cambridge Üniversitesi’nde malzeme bilimi üzerine çalışmaktadır. Ekibi, bu çalışmalarını 26 Mart’ta Amerikan Kimya Derneği’nin bahar toplantısında paylaştı.
Olağanüstü Soğutma İşlemi
Çevresinden daha soğuk yüzeyler oldukça olağandışıdır. Bunun nedeni, sıcak nesnelerin görünmez kızılötesi ışık yoluyla ısı yayması ve etraflarındaki havaya ısı transfer etmesidir. Nesne ve hava aynı sıcaklığa ulaştığında, bu ısı transferi durur ve soğuma da sona erer.
Örneğin, güneşte ısınmış bir araba kaputu, içerideki ve dışarıdaki havayı ısıtır. Ancak kızılötesi ışığın belirli dalga boyları hava tarafından emilmez ve atmosferden uzaya kaçabilir. Yeni filmler, bu dalga boylarında ısı yayarak çevresindeki havayı ısıtmadan soğuyabilirler. Bu sayede güneş ışığı altında bile daha soğuk hale gelebilirler.
Bu soğutma yöntemi, “pasif gündüz radyatif soğutma” olarak adlandırılır. Shen’in ekibi bu yöntemi icat etmedi, çünkü başka malzemeler de aynı işlevi yerine getirebilir. Ancak bu malzemeler genellikle bir takas gerektirir: Bu zamana kadar sadece beyaz veya aynalı yüzeyler bu özelliğe sahip olabilirdi. Bu yüzeyler çok fazla ışığı yansıtır ve yüzeyin ısınmasını engeller.
Şimdi Shen’in ekibi, renkli pasif soğutma yüzeylerinin bir yolunu buldu. Shen, “Kırmızı, yeşil ve mavi renkleri üretebiliyoruz” diyor. Ancak asıl gurur duyduğu şey, farklı dokuları yaratmalarıdır. Işıltılı yanardöner filmlerden sakinleştirici doğal ahşap damarlarına kadar her şeyi başardılar.
Renk Kristallerden Gelir
Yeni filmlerin renkleri, normal boya ve giysilerde kullanılan pigmentlerden gelmez. Bu kimyasallar sadece gördüğümüz ışık renklerini yansıtırken, geri kalanını emer ve malzemeyi ısıtır. Bu nedenle, bir siyah tişört giydiğinizde beyaz bir tişörtten daha sıcak hissedersiniz.
Eğer bu filmler renklerini pigmentlerden alırlarsa, “güneş ışığının bir kısmını emer ve ısınırlardı” diyor Shen. Bu, soğumaya karşı direnç oluştururdu.
Ancak yeni filmlerin renkleri mikroskobik yapılarından kaynaklanır. Bu yapısal renk olarak bilinir. Filmlerin yüzeyindeki küçük desenler ışığı absorbe etmez. Bunun yerine, ışık dalgaları belirli şekillerde yansır, böylece gözümüze yalnızca belirli renkler ulaşır. Mikro yapısal desenlerini değiştirerek, gördüğümüz rengi değiştirebiliriz.
Doğada, yapısal renk yaygın bir fenomendir. Bir sabun köpüğünün gökkuşağı parlaklığı yapısal renkten gelir. Tavus kuşunun canlı tüyleri de bir örnektir. Hatta bazı babunların parlak yüzleri bile yapısal renklerden oluşur. Yeni filmlerin rengi ise selüloz kristallerinden gelir. Bu kristaller bitki liflerinden yapılır. Selüloz hem bol miktarda bulunan hem de çevre dostudur. Ayrıca kızılötesi dalga boylarında ısı yayabilir.
Filmin İki Katmanı
Bu filmler iki katmandan oluşur. Üst katman, renk sağlayan kristalize selülozdur. Farklı kristal desenleri farklı renkler üretir. Alt katman ise çukurludur ve üst katmandan sızan tüm ışığı dağıtır.
Işık parçacıklarını bir pinball makinesi gibi düşünün. “Yüzeye çarpıyorlar ve zıplıyorlar – bum, bum, bum…” diyor Lucian Lucia, biyomalzemeler üzerine çalışan bir bilim insanı. Her iki selüloz katmanı da filmin ısıyı uzaya yaymasına yardımcı olur.
Shen’in ekibinin bu çalışmayı benzersiz kılan şey, iki katmanlı yaklaşımdır. Filmleri oluşturmak için her seferinde bir katman eklediler. İlk olarak, sulu bir etil selüloz karışımını ince tabakalar halinde kuruttular. Ardından, bu tabakanın üzerine su içindeki ince selüloz kristalleri yaydılar. Bu “krema” tabakası kurudukça, kristaller birbirine bağlanarak renkli üst tabakayı oluşturdu. Kristallerin mikro yapısal farklılıkları, farklı desenler ve renkler ortaya çıkaracaktır.
Filmler güneş ışığı altında 4 santigrat derece (7 Fahrenheit) kadar daha soğuk hale gelebilmiştir. Gece ise sıcaklık farkı 9 derece C (16 derece F) olarak ölçülmüştür. Shen’in ekibi bu bulguları Amerikan Kimya Derneği toplantısından önce Advanced Science dergisinde yayınlamıştır.
Ran Zheng, Shen’in ekibinin filmlerin büyük miktarlarda nasıl üretileceğini çözdüğünü ve bu durumun çalışmaları için çok önemli olduğunu belirtmektedir. Zheng, bu büyük ölçekli üretimin, bu yeniliğin gerçek dünyada kullanılma olasılığını artıracağını söylemektedir. Bu kaplamaların binaları yaz güneşinde serin tutmak için kullanılması, klima ihtiyacını azaltabileceği anlamına gelir.
Nanokristal boyalı filmler, gelecekteki soğutma teknolojisi olarak umut verici bir adımdır. Enerji tasarruflu, sürdürülebilir ve çevre dostu bir seçenek sunarak yaz sıcaklarının etkisini azaltabilir. Renkli ve estetik seçenekler sunması da bu teknolojiyi daha çekici kılmaktadır. Nanokristal boyalı filmler, gelecekte evlerimizi ve arabalarımızı serinletmek için kullanılabilecek umut verici bir yenilik olarak karşımıza çıkıyor.
