Les matériaux avancés inspirés de la nature atteignent une réflectivité solaire de 99,6 %


Les chercheurs scientifiques s'inspirent de l'éclat de la nature pour chercher à développer des solutions transformatrices aux défis non résolus. Le professeur WANG Zuankai, vice-président associé (recherche et innovation) et professeur titulaire du département de génie mécanique de l'Université polytechnique de Hong Kong (PolyU), a méticuleusement exploré les subtilités de la nature et réalisé des découvertes remarquables avec des applications très significatives dans le monde réel. . Ses recherches récemment publiées sur la céramique de refroidissement traduisent avec succès de nouvelles découvertes en applications durables.

Les résultats de son projet de recherche « Céramique de refroidissement radiative passive structurée hiérarchiquement avec une réflectivité solaire élevée » ont été publiés dans la revue Science. En collaboration avec le professeur Christopher CHAO, vice-président (recherche et innovation), professeur titulaire de la chaire de génie thermique et environnemental de PolyU et co-auteur de l'article, le professeur Wang a collaboré avec une équipe de recherche de la City University de Hong Kong sur cette innovation. .

Avec un engagement inébranlable en faveur de la recherche transformatrice, l'équipe de recherche dirigée par les professeurs Chao et Wang a développé une céramique de refroidissement radiatif passif (céramique de refroidissement) capable d'obtenir une diffusion de la lumière très efficace et une réflectivité solaire presque parfaite de 99,6 %. Ce matériau de refroidissement radiatif passif démontre un potentiel d'économie d'énergie prometteur avec une résistance aux intempéries et une résistance mécanique élevée, réduisant ainsi la demande de refroidissement d'un environnement intérieur.

“Notre travail sur le refroidissement de la céramique illustre le pouvoir de l'apprentissage de la nature. Il comble une lacune importante dans la recherche en matière de refroidissement radiatif passif, en particulier la réflectivité solaire élevée. S'inspirant de la bioblancheur observée chez le coléoptère le plus blanc, les chercheurs ont optimisé la conception du système de diffusion, conduisant à une augmentation significative de la réflectivité solaire », a déclaré le professeur Wang.

Bmatériau inspiré du scarabée pour atteindre 99,6 % de réflectivité solaire

Cette innovation est issue de la structure biologique complexe de Cyphochilus, le coléoptère le plus blanc connu. Sur la base d'une étude du système de diffusion trouvé dans les écailles du coléoptère, la céramique de refroidissement a été conçue avec une structure hiérarchiquement poreuse. Ce système inspiré de la nature est facile à fabriquer et offre d'excellentes performances de refroidissement diurne, réduisant ainsi la consommation d'énergie pour le refroidissement intérieur.

“La nature nous offre une abondance de conceptions complexes, de systèmes efficaces et de solutions durables qui ont évolué au fil des millions d'années. Grâce à une étude minutieuse de ces phénomènes naturels, nous pouvons découvrir des idées et des principes innovants qui peuvent être traduits en applications pratiques”, a déclaré le professeur. Wang.

Cette céramique de refroidissement illustre également l'amour thermique structuré (STA) pionnier du professeur Wang, qui a le potentiel de permettre un refroidissement efficace par eau à des températures solides ultra élevées – une propriété inexplorée. Son précédent projet de recherche, « Inhiber l'effet Leidenfrost au-dessus de 1 000 °C pour un refroidissement thermique soutenu », abordait les défis de longue date posés par l'effet Leidenfrost.

Lorsque la température dépasse le point de Leidenfrost, une couche de vapeur continue se forme entre un solide et un liquide, entraînant une diminution du transfert de chaleur en raison d'une résistance thermique accrue. Le STA innovant du professeur Wang offre le potentiel de mettre en œuvre un refroidissement liquide efficace à des températures extrêmement élevées.

Première enquête sur l'effet Leidenfrost

Dans les applications impliquant le refroidissement par évaporation, l'interaction entre l'eau et les surfaces à haute température est un phénomène critique mais souvent négligé. Par conséquent, la suppression de l’effet Leidenfrost constitue une étape majeure dans le développement réussi de cette céramique rafraîchissante, en plus de sa blancheur bio-inspirée et de sa haute réflectivité solaire.

La céramique de refroidissement présente une superhydrophilie, permettant une propagation immédiate des gouttelettes et facilitant une imprégnation rapide des gouttelettes grâce à sa structure poreuse interconnectée. En conséquence, la céramique de refroidissement inhibe l'effet Leidenfrost à des températures supérieures à 800°C pendant le processus de refroidissement par évaporation.

“L'un des facteurs clés contribuant au succès de la céramique de refroidissement est sa structure poreuse hiérarchique, semblable à la membrane poreuse utilisée dans la conception STA. C'est cette structure complexe qui permet à la céramique d'aspirer et d'évaporer efficacement le liquide, et ainsi efficacement inhibant l'effet Leidenfrost”, a déclaré le professeur Wang.

C'est la première fois que l'effet Leidenfrost est étudié dans le domaine des matériaux de refroidissement radiatif passif. Cette nouvelle exploration élargit les horizons de la conception de matériaux de refroidissement radiatif passif et fournit également de nouvelles perspectives pour le développement et l'application de STA.

L'ingéniosité de la céramique de refroidissement réside dans sa capacité à réaliser de multiples fonctionnalités grâce à une fabrication et une manipulation simples. Ses principales caractéristiques, notamment sa haute résistance aux intempéries, sa robustesse mécanique, sa capacité à réduire l'effet Leidenfrost, sa recyclabilité favorable et sa couleur, contribuent à ses applications pratiques dans divers scénarios et constructions de bâtiments. Grâce à son aptitude à la commercialisation et aux applications extérieures à long terme, il possède également des avantages en termes de rentabilité, de durabilité et de polyvalence.

La nature inspire la découverte scientifique et stimule le développement de solutions percutantes grâce à de nouveaux matériaux, dispositifs et systèmes. C'est également la vision du Centre de recherche pour les sciences et l'ingénierie inspirées de la nature de PolyU, dirigé par le professeur Wang. Le Centre est considéré comme un pôle dynamique d'innovation et de collaboration, tirant parti de l'éclat de la nature pour créer des solutions transformatrices aux défis sociétaux et environnementaux.

“Cette percée dans la recherche sur la céramique de refroidissement illustre le caractère pratique et la polyvalence de notre approche. La céramique de refroidissement présente non seulement des performances de refroidissement exceptionnelles grâce à sa structure bio-inspirée du scarabée blanc, mais possède également des caractéristiques précieuses telles que des propriétés autonettoyantes, une résistance mécanique robuste et Dépression à effet Leidenfrost. Toutes ces caractéristiques la rendent prête pour des applications réelles”, a déclaré le professeur Wang.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

*