Raffreddamento radiativo durevole contro l'invecchiamento ambientale

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4805 (2022) Citare questo articolo

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Per combattere il riscaldamento globale, la tecnologia di raffreddamento radiativo diurno subambientale offre un percorso promettente per raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile. Per ottenere il raffreddamento radiativo diurno subambientale, il prerequisito essenziale è la riflessione della maggior parte della luce solare. Tuttavia, l'elevata riflettanza solare desiderata viene facilmente attenuata dall'invecchiamento ambientale, principalmente dallo sporco naturale e dall'irradiazione ultravioletta della luce solare che causa un colore giallastro per la maggior parte dei polimeri, rendendo il raffreddamento inefficace. Dimostriamo una semplice strategia per utilizzare nanoparticelle di biossido di titanio, con resistenza ai raggi ultravioletti, formando una morfologia porosa gerarchica tramite assemblaggio guidato dall'evaporazione, che garantisce un anti-sporco bilanciato e un'elevata riflettanza solare, rendendo i rivestimenti a base di vernice di raffreddamento anti-invecchiamento. Abbiamo messo alla prova i rivestimenti rinfrescanti in un test di invecchiamento accelerato rispetto a 3 anni simulati di sporco naturale e 1 anno simulato di luce solare naturale, e abbiamo scoperto che la riflettanza solare è diminuita solo dello 0,4% e dello 0,5% rispetto a quelli non invecchiati. Mostriamo inoltre oltre 6 mesi di invecchiamento in condizioni reali senza quasi nessun degrado delle prestazioni di raffreddamento. La nostra vernice di raffreddamento antietà è scalabile e può essere verniciata a spruzzo sull'architettura esterna e sul contenitore desiderati, presentando un raffreddamento radiativo duraturo, promettente per applicazioni nel mondo reale.

Il nostro mondo sta andando male nel raggiungere l’obiettivo di 1,5°C dell’Accordo di Parigi perché le emissioni globali di gas serra (GHG) sono ancora in aumento1. Se non verranno intraprese azioni urgenti per mitigare le emissioni di gas serra, alcune parti del mondo diventeranno quasi invivibili per gli esseri umani entro la fine di questo secolo2. Al giorno d’oggi, più del 10% delle emissioni di gas serra deriva dal raffreddamento e dalla refrigerazione degli ambienti convenzionali3. Mentre il mondo diventa più caldo, ogni secondo vengono installati a livello globale più di 13 nuovi dispositivi di raffreddamento, il che crea più emissioni di gas serra e sostanze che riducono lo strato di ozono esacerbando il riscaldamento globale4. Per combattere questo ciclo di feedback distruttivo, la tecnologia di raffreddamento radiativo diurno subambientale (SDRC) offre un percorso promettente. È realizzato da un oggetto rivolto al cielo che riflette la maggior parte della luce solare (entro una lunghezza d'onda compresa tra 0,3 e 2,5 µm) ed emette una forte radiazione infrarossa a onda lunga (LWIR) nell'universo freddo attraverso la finestra di trasparenza atmosferica (entro una lunghezza d'onda compresa tra 8 e 13 µm). 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. In questo modo, l’oggetto può essere raffreddato passivamente al di sotto della temperatura ambiente con zero input di energia ed emissioni di gas serra.

Il nucleo dell'SDRC risiede nell'elevata riflettanza solare (R̅solar ≥ 0,9), poiché solo una piccola percentuale dell'assorbimento solare può riscaldare efficacemente la superficie anche se ha una perfetta emittanza LWIR, cioè \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Fig. 1a). Tuttavia, è molto probabile che questo indispensabile elevato R̅solare diminuisca, rendendo questa tecnologia inefficace, dopo che i materiali SDRC sono stati esposti all'ambiente naturale esterno per solo diversi mesi, il che è essenzialmente il risultato dell'invecchiamento ambientale naturale22. Sebbene la capacità SDRC negli scenari ideali sia stata dimostrata da diversi materiali, come film sottili nanofotonici5, compositi polimero-dielettrici supportati da specchi metallici7, nanotessuti polimerici19,23,24, nanocellulosa11 e rivestimenti polimerici porosi9,17,18, questi materiali erano raramente valutato rispetto all'invecchiamento ambientale, principalmente allo sporco naturale e all'irradiazione UV della luce solare22. Tra questi, la maggior parte dei polimeri per SDRC, anche senza considerare l'effetto scurimento causato dallo sporco naturale, non sono resistenti all'esposizione UV a lungo termine, il che si traduce in un aspetto giallastro che abbassa l'R̅solar25. Sebbene il rivestimento poroso a base di fluoropolimero per SDRC sia resistente agli UV9,26, la sua modesta natura idrofobica limita le prestazioni anti-sporco27. Pertanto, per spingere l'SDRC verso applicazioni reali con durabilità a lungo termine, oltre a proprietà ottiche eccezionali, sono altamente desiderate eccellenti resistenze allo sporco/UV, da preferire insieme alla facilità di fabbricazione e alla scalabilità sotto forma di rivestimenti a base di vernice.

0.931. However, we note that the energy proportion within UV region (wavelength of 0.28 to 0.4 µm) only accounts for 4.5% of the whole solar spectrum (Supplementary Fig. 1). Therefore, we can compensate the UV absorptance via suppressing the NIR absorptance by replacing polymer with air forming porous morphology. And we note that the refractive index of air (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) is lower than the one of common polymer binder (\({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) ≈ 1.5)32. According to the Snell's law, large refractive index difference between two different mediums leads to high magnitude of light refraction. Thus, TiO2 NPs in air should scatter light more strongly than they do in polymers. To further evaluate this optical property theoretically, we numerically calculated the scattering efficiency (Qsca) of a single spherical TiO2 particle as a function of particle diameter across the solar spectrum based on Mie theory (details in Methods). We compared the Qsca of TiO2 particle in surrounding medium of either air or polymer with preset refractive indices (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1 and \({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1.5). We found that, within the solar spectrum, a single TiO2 particle could scatter sunlight more strongly in air than in polymer (Fig. 1b). Empirically, the magnitude of R̅solar is equivalent to the total magnitude of TiO2 NPs scattering, which is determined by the number of air/particle interfaces the light passes through. Therefore, for coatings with equal thickness composed of TiO2 NPs with the same size, high packing density (ϕ) of NPs, which means large number of air/particle interfaces, should be able to satisfy the second requirement (R̅solar ≥ 0.9). However, we note that the crowding of TiO2 NPs gives rise to the dependent scattering leading to a reduction of scattering efficiency, in contrast to independent scattering wherein the distance among the scattering particles large enough to ignore the scattering effect brought by the presence of neighboring particles33. This phenomenon is evident for a thin coating composed of NPs with high packing density, corroborated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations (Fig. 1c). In practice, to compensate this adverse dependent scattering effect, we can fabricate thick coating composed of particles with broad size distribution to increase the total scattering power (Supplementary Fig. 5). Nevertheless, continual increasing the ϕ of TiO2 NPs might not render higher R̅solar as expected intuitively. In another word, we should be able to obtain high R̅solar with ϕ lying in the medium region, neither very low nor high./p> 150°, indicating good non-wettability. In regime III, the scenario is just the opposite. The high ϕ leads to strong light scattering, a short path length, thus shallow penetration, which turns the light around relatively quickly. The high f leads to θapp < 150° indicating modest hydrophobicity, not beneficial to anti-soiling purpose. Therefore, regime II is preferred to be the design target to balance the desired high R̅solar and θapp./p>300 µm9 (Supplementary Fig. 9). By using the step-wise heating method, we obtained the cooling power of 84.9 ± 14.8 W m−2 under strong solar irradiance (Isolar) of 920 W m−2 (Supplementary Fig. 13). And by using the close-tracking heating method, we obtained the cooling power of about 95 W m−2 under strong sunshine from 11 AM to 4 PM (Supplementary Fig. 14)./p> 1000 W m−2, Supplementary Figs. 17 and 18). To mimic real-world operating condition, all field tests were performed without wind shield cover. We recorded the temperature difference (ΔT) between the coating sample (Tsamp) and ambient air (Tair), where ΔT = Tsamp − Tair. The ΔT of white paint coating increased from 0.3 to 4.7 °C after soiling. Even the porous fluoropolymer coating, as the state-of-the-art SDRC material, cannot retain its cooling ability against this soiling test, due to the modest hydrophobicity (Supplementary Figs. 19 and 20). Meanwhile, the \(\triangle T\) of our AACP coating increased just from −3.8 to −3.5 °C, barely affecting the cooling performance. Additionally, we dripped viscous mud, as ultra-heavy soiling agent, onto the AACP coating to show its excellent ability to reduce the accretion of soiling substances (Fig. 3c, Supplementary Fig. 21, Supplementary Movie 1). The accelerated weathering test was performed by 1000 h of UV exposure at 60 °C (Fig. 3d), equivalent to 1 year of Florida natural sunshine39. Owing to the UV resistance of TiO2 NPs and strong C − F bonds in PFOTS, the R̅solar of AACP coating only declined by 0.5% of the original one (from 0.925 to 0.920). The \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp and θroll were almost unchanged. As a comparison, the R̅solar of white paint coating declined by 5.4% (from 0.856 to 0.810), the \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) declined by 2.3% (from 0.944 to 0.922) (Supplementary Fig. 23)./p> 1000 W m−2). Insets show the temperature measurement setup and visual appearance of the tin boxes. For AACP coated tin box, ΔT ≈ −5.2 °C (May 25th, 2021, Chengdu)./p>