Los edificios dedican más del 30% de su uso energético a la calefacción, enfriamiento, y sistemas de iluminación. Los diseños pasivos, como las pinturas frías para techos, han contribuido en gran medida a reducir este uso, y su impacto en el medio ambiente y el clima, pero tienen una limitación clave:suelen ser estáticas, y por lo tanto no responde a los cambios diarios o estacionales.

Los investigadores de Columbia Engineering han desarrollado recubrimientos de polímeros porosos (PPC) que permiten formas económicas y escalables de controlar la luz y el calor en los edificios. Aprovecharon la capacidad de conmutación óptica de los PPC en las longitudes de onda solares para regular el calentamiento solar y la iluminación natural. y extendió el concepto a longitudes de onda infrarrojas térmicas para modular el calor irradiado por los objetos. Su trabajo se publica el 21 de octubre de 2019 por Joule .

"Nuestro trabajo muestra que al humedecer las PPC con líquidos comunes como alcoholes o agua, podemos cambiar reversiblemente su transmitancia óptica en las longitudes de onda solar y térmica, "dice Jyotirmoy Mandal, autor principal del estudio y ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales. "Al colocar estos PPC en paneles huecos de plástico o vidrio, podemos hacer envolventes de edificios que puedan regular la temperatura y la luz interiores ".

El diseño del equipo es similar al de las ventanas inteligentes, pero con una mayor conmutación óptica, y está construido usando más simple, materiales económicos que podrían hacerlo implementable a gran escala. Se basa en trabajos anteriores que demostraron un recubrimiento de fluoropolímero similar a una pintura con huecos de aire de nano a microescala que pueden enfriar edificios. Ese revestimiento era estático sin embargo. "En lugares como Nueva York, que ve veranos cálidos e inviernos duros, los diseños que pueden cambiar entre los modos de calefacción y refrigeración pueden ser más útiles, "dice Yang.

El equipo comenzó su trabajo en el cambio óptico de PPC por casualidad, cuando Mandal notó que unas gotas de alcohol derramadas sobre un PPC de fluoropolímero blanco lo volvieron transparente. "Lo que vimos fue el mismo mecanismo que hace que el papel se vuelva translúcido cuando se moja, pero a un nivel casi óptimo, ", dice Mandal." La física de esto se ha explorado previamente, pero el cambio drástico que vimos nos llevó a explorar este caso en particular, y cómo se puede utilizar ".

Un material poroso como el papel parece blanco porque el aire en los poros tiene un índice de refracción diferente (~ 1) al del material poroso (~ 1,5), provocando que se dispersen y reflejen la luz. Cuando se moja con agua, que tiene un índice de refracción (~ 1,33) más cercano al material, la dispersión se reduce y pasa más luz, haciéndolo translúcido. La transmisión aumenta cuando los índices de refracción coinciden estrechamente. Los investigadores descubrieron que su fluoropolímero (~ 1,4) y los alcoholes típicos (~ 1,38) tienen índices de refracción muy cercanos.

"Así que cuando se moja, el polímero poroso se vuelve ópticamente homogéneo, "dice Yang." La luz ya no se dispersa, y atraviesa, al igual que lo haría a través de un vidrio sólido, el polímero poroso se vuelve transparente ".

Debido a la coincidencia casi perfecta del índice de refracción de los alcoholes y el fluoropolímero, el equipo podría cambiar la transmitancia solar de sus PPC en un 74% aproximadamente; para la parte visible de la luz solar, el cambio fue ~ 80%. Aunque el cambio es más lento que en las ventanas inteligentes típicas, los cambios de transmitancia son considerablemente mayores, haciendo que las PPC sean atractivas para controlar la luz del día en los edificios.

Los investigadores también investigaron cómo se podría utilizar la conmutación óptica para la termorregulación. "Imaginamos techos que son blancos durante el verano para mantener frescos los edificios, y se vuelven negros durante el invierno para calentarlos, "dice Yang, "Esto puede reducir en gran medida los costos de aire acondicionado y calefacción de los edificios".

Para probar su idea, los investigadores colocaron paneles que contienen PPC en casas de juguete con techos negros. Un panel estaba seco y reflectante, mientras que el otro estaba mojado y traslúcido, mostrando el techo negro debajo. Bajo la luz del sol en un mediodía de verano el techo blanco se volvió más frío que el aire ambiente en ~ 3C / 5F, mientras que el negro se puso mucho más caliente, por ~ 21C / 38F.

El equipo también exploró la conmutación en las longitudes de onda infrarrojas térmicas, y observó un cambio novedoso entre los estados de "casa de hielo" a "invernadero" humedeciendo PPC de polietileno transparentes al infrarrojo. Cuando seco, los PPC de polietileno poroso reflejan la luz solar pero transmiten el calor irradiado, comportándose como una "casa de hielo". Mojar las PPC hace que transmitan luz solar, y, porque los líquidos típicos absorben longitudes de onda térmicas, bloquear el calor irradiado, como un invernadero. Debido a que modulan tanto la radiación solar como la térmica, pueden regular el calor tanto de día como de noche.

"Aunque se obtuvo simplemente, la transición es bastante inusual en comparación con la conmutación en otros sistemas ópticos, y es quizás la primera vez que se informa, "dice Mandal.

El equipo de Yang también probó otras aplicaciones potenciales, como el camuflaje térmico y las pinturas que responden a la lluvia. Este último podría usarse para enfriar o calentar edificios en zonas climáticas mediterráneas y la costa californiana, que ven veranos secos e inviernos lluviosos. Los investigadores ahora están buscando formas de ampliar sus diseños, y explorar oportunidades para implementarlas y probarlas a gran escala.

"Dada la escalabilidad y el rendimiento de los diseños basados ​​en PPC, tenemos la esperanza de que sus aplicaciones se generalicen, "dice Yang, "en particular, estamos entusiasmados con sus posibles aplicaciones en fachadas de edificios ".

Mandal, que ahora está realizando una investigación postdoctoral como becario de ciencias Schmidt en la Universidad de California, Los Angeles, agrega, "Elegimos deliberadamente polímeros comúnmente disponibles y diseños simples para nuestro trabajo. El objetivo es hacerlos fabricables e implementables localmente en países en desarrollo, donde tendrían el mayor impacto ".

El estudio se titula "Polímeros porosos con transmitancia óptica conmutable para regulación óptica y térmica".