Resfriadores radiativos bioderivados oferecem uma alternativa sustentável aos materiais petroquímicos, mas enfrentam dificuldades com a estabilidade a longo prazo. Aqui, relatamos um metafilme de resfriamento bioplástico com uma arquitetura bicontínua projetada por meio da modulação de cristalização. O metafilme atinge alta refletância solar (98,7%), emitância térmica excepcional (96,6%) e condutividade térmica ultrabaixa (0,049 W m −1 K −1 ). Ele fornece um resfriamento subambiente máximo de ∼9,2 °C ao meio-dia, com uma potência média de resfriamento de 136 W m −2 sob intensidade solar de pico (944,9 W m −2 ). Notavelmente, ele sustenta um resfriamento estável de 5 °C a 6,5 °C, mesmo quando submetido a condições severas, como exposição prolongada a ácido (pH 1, 120 h) e ultravioleta (UV; ∼8 meses). Este trabalho oferece uma nova estratégia para projetar materiais de resfriamento sustentáveis, duráveis e com eficiência energética por meio de inovação estrutural.
O metafilme bioplástico – que pode ser aplicado em edifícios, equipamentos e outras superfícies – resfria passivamente as temperaturas em até 9,2°C durante o pico da luz solar e reflete quase 99% dos raios solares.
Desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Zhengzhou, na China, e da Universidade da Austrália do Sul (UniSA), o novo filme é um material sustentável e duradouro que pode reduzir o consumo de energia em edifícios em até 20% ao ano em algumas das cidades mais quentes do mundo.
O material é descrito na última edição do Cell Reports Physical Science.
O candidato a doutorado da UniSA, Yangzhe Hou, diz que o metafilme de resfriamento representa um avanço na engenharia de materiais sustentáveis que pode ajudar a combater o aumento das temperaturas globais e cidades mais quentes.
“Nosso metafilme oferece uma alternativa ecologicamente correta ao ar condicionado, o que contribui significativamente para as emissões de carbono”, diz Hou, que também é da Universidade de Zhengzhou.
O material reflete quase toda a radiação solar, mas também permite que o calor interno do edifício escape diretamente para o espaço exterior. Isso permite que o edifício permaneça mais frio do que o ar ao redor, mesmo sob luz solar direta.
Notavelmente, o filme continua a ter um bom desempenho mesmo após exposição prolongada a condições ácidas e luz ultravioleta — duas grandes barreiras que historicamente dificultam materiais biodegradáveis semelhantes.
Feito de ácido polilático (PLA) – um bioplástico comum derivado de plantas – o metafilme é fabricado usando uma técnica de separação de baixa temperatura que reflete 98,7% da luz solar e minimiza o ganho de calor.
(A) Preparação de BPCM por LTPS.; (B–D) Imagens SEM de metafilmes preparados por separação de fases à temperatura ambiente (RPS), separação de fases a baixa temperatura (LPS) e separação de fases em duas etapas a baixa temperatura (LTPS). As barras de escala representam 4 μm.; (E) Teste reológico para soluções precursoras.; (F e G) Imagens POM de metafilmes L3/D1 e L1/D1 preparadas por centrifugação rápida. As barras de escala representam 100 μm.; (H) Poros de distribuição de L1/D1. A barra de escala representa 50 μm.; (I) Cristalinidade HC/SC de PLLA, L7/D1, L3/D1 e L1/D1.; (J) Ilustração esquemática da automontagem de uma estrutura bi-contínua
“Ao contrário das tecnologias de resfriamento convencionais, esse metafilme não requer eletricidade ou sistemas mecânicos”, afirma o coautor Dr. Xianhu Liu, da Universidade de Zhengzhou.
A maioria dos sistemas de resfriamento radiativo passivo existentes depende de polímeros ou cerâmicas de origem petroquímica, o que levanta preocupações ambientais. Ao utilizar PLA biodegradável, apresentamos uma alternativa verde que oferece alta refletância solar, alta emissão térmica, sustentabilidade e durabilidade.
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Em aplicações reais, o metafilme apresentou uma queda média de temperatura de 4,9 °C durante o dia e 5,1 °C à noite. Testes de campo realizados na China e na Austrália confirmaram sua estabilidade e eficiência em condições ambientais adversas. Mesmo após 120 horas em ácido forte e o equivalente a oito meses de exposição externa à radiação UV, o metafilme manteve seu poder de resfriamento de até 6,5 °C.
Talvez o mais significativo seja que as simulações revelaram que o metafilme poderia reduzir o consumo anual de energia em até 20,3% em cidades como Lhasa, na China, reduzindo a dependência do ar condicionado.
(A) Espectros de refletância e emitância de BPCMs.; (B) Análise teórica da eficiência de espalhamento do poro na luz solar incidente.; (C) Porosidade e condutividade térmica. Os dados são representados como medidas médias, e as barras indicam o desvio padrão.; (D) Energia de resfriamento anual e porcentagens de economia de energia para diferentes cidades.; (E) Uma comparação entre BPCM e outros materiais de resfriamento relatados em estudos anteriores
“Este não é apenas um sucesso em escala laboratorial”, afirma o coautor Professor Jun Ma da Universidade do Sul da Austrália.
“Nosso filme é escalável, durável e completamente degradável”, diz ele.
“Esta pesquisa visa contribuir para o desenvolvimento sustentável, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis e explorando caminhos viáveis para melhorar o conforto humano, minimizando ao mesmo tempo o impacto ambiental”.
Os pesquisadores agora estão explorando oportunidades de fabricação em larga escala e possíveis aplicações em construções, transporte, agricultura, eletrônica e na área biomédica, incluindo curativos refrescantes.
(A) Ilustração esquemática para a medição de resfriamento radiativo.; (B) Foto da configuração experimental.; (C e F) Medição de temperatura do teste de desempenho de resfriamento subambiente para o dia e a noite em Zhengzhou, China.; (D e G) Diferença de temperatura extraída para o dia e a noite.;(E e H) O poder de resfriamento calculado do LTPS a 30°C durante o dia e a noite (coeficientes de transferência de calor não radiativo [ h c ] são 0, 3, 6 e 9 W m −2 K −1 ).
Os materiais de resfriamento biodegradáveis anteriores apresentavam baixa resistência às intempéries, frequentemente exigindo revestimentos protetores que comprometiam seus benefícios ambientais. Este novo filme supera essa limitação por meio de cristais estereocomplexos projetados.
Os pesquisadores submeteram as amostras a condições severas, incluindo 120 horas em solução ácida de pH 1 e exposição ultravioleta equivalente a oito meses de exposição ao intemperismo externo. Mesmo após essa punição, o material manteve o desempenho de resfriamento de 5 °C a 6,5 °C abaixo da temperatura ambiente.
“Ao contrário das tecnologias de resfriamento convencionais, este metafilme não requer eletricidade ou sistemas mecânicos”, observa o coautor Dr. Xianhu Liu, da Universidade de Zhengzhou. A durabilidade se deve ao teor de 29,7% de cristais estereocomplexos do filme, que proporciona estabilidade térmica superior às estruturas de PLA comuns.
A descoberta aborda um grande desafio no campo: como conciliar o resfriamento de alto desempenho com a degradação ecológica.
(A) Condições ambientais adversas para aplicações externas de materiais de resfriamento radiativo.; (B) Ângulo de contato com a água do BPCM antes e depois do envelhecimento. Os pontos estão centralizados na média e as barras indicam o desvio padrão.; (C e D) Curvas de refletância solar e refletância média do BPCM antes e depois do envelhecimento.; (E) Cristalinidade do BPCM antes e depois do envelhecimento.; (F) Morfologia microscópica do BPCM após envelhecimento UV. A barra de escala representa 5 μm.; (G) Efeito de resfriamento do BPCM após o envelhecimento