El color de un material a menudo puede decirle algo sobre cómo maneja el calor. Piense en usar una camisa negra en un sofocante día de verano:cuanto más oscuro es el pigmento, más cálido es probable que se sienta. Igualmente, cuanto más transparente es una ventana de vidrio, más calor puede dejar pasar. Las respuestas de un material a la radiación visible e infrarroja a menudo están vinculadas de forma natural.

Ahora, los ingenieros del MIT han elaborado muestras de material polimérico similar al tejido, las propiedades de color y calor que pueden adaptar independientemente del otro. Por ejemplo, han fabricado muestras de una película negra muy fina diseñada para reflejar el calor y mantenerse frescos. También han hecho películas que exhiben un arcoíris de otros colores, cada uno hecho para reflejar o absorber la radiación infrarroja independientemente de la forma en que responda a la luz visible.

Los investigadores pueden ajustar específicamente las propiedades de color y calor de este nuevo material para satisfacer los requisitos de una gran cantidad de aplicaciones de amplio espectro. incluyendo colorido, fachadas de edificios que reflejan el calor, ventanas y techos; absorbente de luz cubiertas disipadoras de calor para paneles solares; y tejido ligero para ropa, ropa de calle, carpas, y mochilas, todas diseñadas para atrapar o reflejar el calor, dependiendo de los entornos en los que se utilizarían.

"Con este material, todo podría verse más colorido, porque entonces no te preocuparía qué color hace al equilibrio térmico de, decir, un edificio, o una ventana, o tu ropa, "dice Svetlana Boriskina, científico investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Boriskina es autora de un estudio que aparece hoy en la revista Materiales ópticos Express , delineando la nueva técnica de ingeniería de materiales. Sus coautores del MIT son Luis Marcelo Lozano, Seongdon Hong, Yi Huang, Hadi Zandavi, Yoichiro Tsurimaki, Jiawei Zhou, Yanfei Xu, y Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética, junto con Yassine Ait El Aoud y Richard Osgood III, tanto del Centro de Soldados de Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate, en Natick, Massachusetts.

Conductores de polímero

Por este trabajo, Boriskina se inspiró en los colores vibrantes de las vidrieras, que durante siglos se han elaborado añadiendo partículas de metales y otros pigmentos naturales al vidrio.

"Sin embargo, a pesar de proporcionar una excelente transparencia visual, el vidrio tiene muchas limitaciones como material, "Notas Boriskina." Es voluminoso, inflexible, frágil, no esparce bien el calor, y obviamente no es adecuado para aplicaciones portátiles ".

Ella dice que si bien es relativamente sencillo adaptar el color del vidrio, La respuesta del material al calor es difícil de ajustar. Por ejemplo, Los paneles de vidrio reflejan el calor a temperatura ambiente y lo atrapan dentro de la habitación. Es más, si el vidrio de color está expuesto a la luz solar entrante desde una dirección en particular, el calor del sol puede crear un punto de acceso, que es difícil de disipar en vidrio. Si un material como el vidrio no puede conducir o disipar bien el calor, ese calor podría dañar el material.

Lo mismo puede decirse de la mayoría de los plásticos, que se pueden diseñar en cualquier color, pero en su mayor parte son absorbentes térmicos y aislantes, concentrar y atrapar el calor en lugar de reflejarlo.

Durante los últimos años, El laboratorio de Chen ha estado buscando formas de manipular materiales poliméricos ligeros para conducir, en lugar de aislar, calor, principalmente para aplicaciones en electrónica. En trabajos anteriores, Los investigadores encontraron que al estirar cuidadosamente polímeros como el polietileno, podrían cambiar la estructura interna del material de una manera que también cambiaron sus propiedades conductoras de calor.

Boriskina pensó que esta técnica podría ser útil no solo para fabricar productos electrónicos basados ​​en polímeros, pero también en arquitectura y vestuario. Ella adaptó esta técnica de fabricación de polímeros, agregando un toque de color.

"Es muy difícil desarrollar un nuevo material con todas estas propiedades diferentes, ", dice." Por lo general, si ajusta una propiedad, el otro se destruye. Aquí, comenzamos con una propiedad que se descubrió en este grupo, y luego agregamos una nueva propiedad de manera creativa. Todo junto funciona como un material multifuncional ".

Los puntos calientes se extendieron

Para fabricar las coloridas películas, el equipo comenzó con una mezcla de polietileno en polvo y un solvente químico, a las que añadieron determinadas nanopartículas para darle a la película el color deseado. Por ejemplo, para hacer película negra, agregaron partículas de silicio; otro rojo, azul, verde, y se hicieron películas amarillas con la adición de varios tintes comerciales.

Luego, el equipo colocó cada película con nanopartículas incrustadas en un aparato de rollo a rollo, que calentaron para ablandar la película, haciéndolo más flexible a medida que los investigadores estiraron cuidadosamente el material.

Mientras estiraban cada película, ellos encontraron, como era de esperar, que el material se volvió más transparente. También observaron que la estructura microscópica del polietileno cambiaba a medida que se estiraba. Donde normalmente las cadenas de polímero del material se asemejan a una maraña desorganizada, similar a los espaguetis cocidos, cuando se estiran estas cadenas se enderezan, formando fibras paralelas.

Cuando los investigadores colocaron cada muestra bajo un simulador solar, una lámpara que imita la radiación visible y térmica del sol, encontraron que cuanto más estirada es una película, cuanto más calor pudo disipar. El largo, las cadenas poliméricas paralelas proporcionaban esencialmente una ruta directa por la que podía viajar el calor. A lo largo de estas cadenas calor, en forma de fonones, luego podría disparar lejos de su fuente, de forma "balística", evitando la formación de puntos calientes.

Los investigadores también encontraron que cuanto menos estiraban el material, cuanto más aislante era, atrapando el calor, y la formación de puntos calientes dentro de los ovillos poliméricos.

Controlando el grado de estiramiento del material, Boriskina podría controlar las propiedades conductoras de calor del polietileno, independientemente del color del material. Ella también eligió cuidadosamente las nanopartículas, no solo por su color visual, sino también por sus interacciones con el calor radiativo invisible. Ella dice que los investigadores pueden potencialmente usar esta técnica para producir delgados, flexible, películas de polímero de colores, que puede conducir o aislar el calor, dependiendo de la aplicación.

Avanzando, planea lanzar un sitio web que ofrece algoritmos para calcular el color y las propiedades térmicas de un material, en función de sus dimensiones y estructura interna.

Además de películas, su grupo ahora está trabajando en la fabricación de hilo de polietileno con nanopartículas incrustadas, que se pueden coser para formar prendas ligeras, diseñado para ser aislante, o enfriamiento.

"Esto está en el factor cinematográfico ahora, pero lo estamos trabajando en fibras y tejidos, ", Dice Boriskina." El polietileno se produce por miles de millones de toneladas y podría reciclarse, también. No veo ningún impedimento significativo para la producción a gran escala ".