Метелик Morpho надихнув науковців на дивовижне відкриття

Деталі відкриття

Команда фізиків з Шеньчженьського університету на чолі з Ван Гопінгом надихнулася природнім механізмом, щоб вирішити проблему зниження температури поверхні, спричинену традиційними пігментами, що поглинають видиме світло. У той час як звичайні фарби мають тенденцію затримувати тепло, особливо під впливом сонячного світла, нещодавно розроблені кольорові плівки демонструють інноваційний підхід до передачі кольору, заснований на структурних властивостях, знайдених у крилах метеликів.

Не пропустіть Нова фізика: вчені наблизилися до відкриття п'ятої сили природи – невідомого поля або частинки

Цікаво, що деякі метелики демонструють яскраве забарвлення не через поглинання, а через інтерференцію, що виникає внаслідок унікального відбиття світла від періодичної структури їхніх крил. Метелик Morpho menelaus, зокрема, демонструє дивовижну здатність передавати високо насичений синій відтінок під широким кутом огляду завдяки багатошаровим і невпорядкованим компонентам.

Характеристики охолоджувальних кольорів / Фото Optica

На основі цих природних явищ дослідники використали відбивну здатність оксидів титану (TiO2) та кремнію (SiO2) у багатошаровому розташуванні. Ця композиція була розміщена поверх шару матового скла на світловідбивній срібній поверхні. Стратегічно оптимізувавши товщину верхніх шарів, команда досягла селективного відбиття жовтого світла, водночас дозволяючи синьому світлу проникати в структуру. Це призвело до яскравого, насиченого синього кольору, який залишався видимим під кутом ±60 градусів.

Охолоджувальна кольорова плівка, створена за зразком крила Morpho menelaus / Фото Optica

Для чого це потрібно

Практичне значення цієї інновації є значним. Під час випробувань у суворих умовах нещодавно розроблена плівка продемонструвала свою здатність до охолодження, знизивши температуру поверхні на два градуси за Цельсієм порівняно з навколишнім середовищем. Цей рівень ефективності охолодження відповідає існуючим безбарвним охолоджувальним плівкам, які використовують срібло та полідиметилсилоксан (PDMS).

Яку проблему це вирішує

Річ у тім, що кольори об'єктів виникають внаслідок відбиття світла в певних напрямках і поглинання небажаного світла, що спричиняє значне нагрівання. Потрібно докласти значних зусиль для охолодження кольорових об'єктів, щоб зменшити їхнє енергоспоживання. Однак стратегія охолодження кольорових об'єктів нижче температури навколишнього середовища при повному збереженні їхніх кольорових властивостей з високою насиченістю і великими полями огляду залишається значним викликом.

Щоб підтвердити свої висновки, дослідники провели польові експерименти, розмістивши зразки охолоджувальної плівки на дахах і транспортних засобах. У прямому порівнянні з традиційною синьою фарбою, плівка перевершила її, зберігаючи поверхні на 45 градусів прохолоднішими під впливом прямих сонячних променів при температурі повітря 27 градусів за Цельсієм. Таке значне зниження температури свідчить про потенціал плівки в різних сферах застосування – від будівель до автомобілів.

Дивіться також Фізики змогли передати звук у вакуумі

Практичні наслідки виходять за межі безпосереднього зниження температури. У ході ретельного аналізу дослідники спрогнозували, що заміна стандартної синьої фарби на цю альтернативу охолодження в місті Шеньчжень може призвести до економії енергії приблизно на 1 377 мегаджоулів на квадратний метр протягом року. Ці кольорові охолоджувальні плівки мають значний потенціал для енергозбереження в будівлях, транспортних засобах, спорудах та обладнанні.