Szyba jak z bajki. Trzymasz ogień na dłoni i nic
Wygląda jak szkło, a działa jak termos. Nowy materiał może odmienić okna, ubrania, a nawet kosmiczne habitaty.
Na pierwszy rzut oka wygląda jak zwykła tafla szkła. Tymczasem nowy materiał MOCHI izoluje tak skutecznie, że naukowcy kładą na nim dłoń, a nad nią trzymają otwarty płomień. Ten niemal przezroczysty żel krzemionkowy może w przyszłości trafić na okna budynków, zmniejszyć rachunki za ogrzewanie, a przy okazji otworzyć drogę do lżejszych ubrań termicznych i kosmicznych habitatów.
Szkło, które pozwala trzymać ogień na dłoni
Zespół fizyków z University of Colorado w Boulder opracował materiał o dość niepozornej nazwie: Mesoporous Optically Clear Heat Insulator, w skrócie MOCHI. Za tym technicznym, kojarzącym się ze słodyczami, akronimem kryje się coś, co wygląda jak zwykła przezroczysta wkładka między dwiema szybami, a zachowuje się jak tarcza przed ciepłem.
Naukowcy pokazali to w najbardziej sugestywny sposób, jaki można sobie wyobrazić. Na bloku zawierającym kilka warstw MOCHI i dwie szklane płytki położyli dłoń, a nad nią umieścili płomień. Normalnie skóra zapiekłaby się po sekundach, a tutaj nic się nie stało. Cała energia cieplna została zatrzymana w cienkiej warstwie materiału. To demonstracja, która ma pokazać, jak ogromny potencjał izolacyjny kryje się w tej na pozór zwykłej szybie.
Całą robotę wykonują tu bąbelki powietrza
Sekret MOCHI nie leży w jakiejś magicznej powłoce, lecz w mikroskopijnej architekturze. Jest to pewnego rodzaj żelu krzemionkowego o strukturze mezoporowatej, pełny maleńkich porów wypełnionych powietrzem. Te kieszonki są cieńsze niż ludzki włos, ale tworzą gęstą, uporządkowaną sieć.
Podobny pomysł wykorzystują aerożele, znane choćby z misji kosmicznych jako doskonałe izolatory. Klasyczny aerożel ma jednak jedną istotną wadę: rozprasza światło. Jego wewnętrzne pory ułożone są chaotycznie, przez co materiał wygląda na mleczny, matowy i nie nadaje się na szyby.
MOCHI rozwiązuje ten problem w dość elegancki i jednocześnie sprytny sposób. Struktura porów została tak zaprojektowana, by niemal nie odbijać ani nie rozpraszać światła. Około 90 proc. objętości stanowi powietrze, a mimo to materiał przepuszcza większość promieniowania widzialnego. Jak czytamy na łamach Gizmodo, MOCHI odbija zaledwie około 0,2 proc. padającego światła. Wizualnie jest więc bardzo bliski zwykłemu szkłu. Wygląda jak szyba, a w środku przypomina ekstremalnie uporządkowaną, szklaną wersję folii bąbelkowej.
To właśnie uwięzione w mikropęcherzykach powietrze ogranicza możliwość przenoszenia ciepła. Gdy różnica temperatur po obu stronach MOCHI jest duża, nagrzane cząsteczki nie mają jak swobodnie przepchnąć energii przez gęstą, porowatą sieć.
Okna, które grzeją jak ściana
Najbardziej oczywista aplikacja, o której mówią twórcy MOCHI, to okna. W eksperymentach naukowcy nałożyli cienką warstwę materiału na zimną szybę i zmierzyli, ile ciepła udało się zatrzymać. Efekt był naprawdę imponujący: transfer ciepła spadł o około 95 proc., na poziomie porównywalnym z bardzo dobrze izolowanymi dachami czy ścianami. Różnica polega na tym, że tutaj izolator pozostaje przeźroczysty.
Budynki pochłaniają nawet około 40 proc. globalnej energii, a większość z nas dobrze zna uczucie ciągnącego od okna zimna. Współczesne materiały izolacyjne świetnie radzą sobie w ścianach, ale są nieprzezroczyste i trudno je pogodzić z dużymi przeszkleniami.
MOCHI celuje dokładnie w tę niszę. Cienką wkładkę można w przyszłości nakleić na istniejące szyby niczym zaawansowaną folię lub wbudować w nowe pakiety szybowe. Okno przestaje być dziurą w izolacji budynku, a zaczyna zachowywać się bardziej jak przezroczysta ściana o wysokim oporze cieplnym. Jeśli takie rozwiązanie uda się wdrożyć na masową skalę, rachunki za ogrzewanie i klimatyzację mogą spaść bez konieczności rezygnacji z przeszklonych fasad.
Od domów po kosmiczne habitaty i odzież termiczną
Autorzy nowego materiału nie ukrywają, że myślą szerzej niż tylko o budynkach mieszkalnych. MOCHI powstaje z relatywnie tanich materiałów, co przynajmniej w teorii dobrze wróży komercjalizacji. Problemem, nad którym wciąż pracują, jest czasochłonny proces wytwarzania i precyzyjnej kontroli struktury samych porów.
Jeżeli uda się go skrócić i zautomatyzować, scenariuszy zastosowań jest wiele. Jednym z nich są lekkie, przezroczyste osłony termiczne w habitatów pozaziemskich, np. w bazach księżycowych czy marsjańskich, gdzie liczy się zarówno izolacja, jak i dostęp do światła dziennego. Inny to ultralekkie ubrania i elementy wyposażenia, które chronią przed ekstremalnym zimnem, a nie wymagają grubych warstw puchu czy pianki.
Przeczytaj także:
MOCHI można też połączyć z technologiami fotowoltaicznymi. Dzięki przepuszczalności dla światła i zdolności do blokowania strat ciepła materiał mógłby tworzyć warstwę ochronną dla zintegrowanych z budynkami paneli słonecznych, szczególnie w chłodniejszych strefach klimatycznych.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Glenn J. Asakawa/CU Boulder
