Resfriamento radiativo durável contra o envelhecimento ambiental

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4805 (2022) Citar este artigo

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Para lutar contra o aquecimento global, a tecnologia de resfriamento radiativo diurno subambiente oferece um caminho promissor para atingir as metas de desenvolvimento sustentável. Para atingir o resfriamento radiativo diurno subambiente, a reflexão da maior parte da luz solar é o pré-requisito essencial. No entanto, a alta refletância solar desejada é facilmente atenuada pelo envelhecimento ambiental, principalmente sujeira natural e irradiação ultravioleta da luz solar, causando cor amarelada para a maioria dos polímeros, tornando o resfriamento ineficaz. Demonstramos uma estratégia simples para usar nanopartículas de dióxido de titânio, com resistência ultravioleta, formando morfologia porosa hierárquica via montagem por evaporação, o que garante uma anti-sujidade equilibrada e alta refletância solar, tornando os revestimentos à base de tintas antienvelhecimento refrescantes. Desafiamos os revestimentos de resfriamento em um teste de desgaste acelerado contra 3 anos simulados de sujeira natural e 1 ano simulado de sol natural, e descobrimos que a refletância solar diminuiu apenas 0,4% e 0,5% em comparação com os não envelhecidos. Além disso, mostramos mais de 6 meses de envelhecimento em condições do mundo real, quase sem degradação do desempenho de resfriamento. Nossa tinta de resfriamento antienvelhecimento é escalável e pode ser revestida por spray na arquitetura externa e no contêiner desejados, apresentando resfriamento radiativo durável, promissor para aplicações do mundo real.

Nosso mundo está indo mal para alcançar o objetivo de 1,5 °C do Acordo de Paris porque as emissões globais de gases de efeito estufa (GEE) ainda estão aumentando1. Se nenhuma ação urgente for tomada para mitigar as emissões de GEE, algumas partes do mundo serão quase inabitáveis para os seres humanos até o final deste século2. Atualmente, mais de 10% das emissões de GEE são provenientes do resfriamento e refrigeração convencionais de espaços3. À medida que o mundo se torna mais quente, mais de 13 novos dispositivos de refrigeração são instalados globalmente a cada segundo, o que gera mais emissões de GEE e substâncias que destroem a camada de ozônio, exacerbando o aquecimento global4. Para lutar contra esse ciclo de feedback destrutivo, a tecnologia de resfriamento radiativo diurno subambiente (SDRC) oferece um caminho promissor. É realizado por um objeto voltado para o céu refletindo a maior parte da luz solar (dentro do comprimento de onda de 0,3 a 2,5 µm) e emitindo radiação infravermelha de onda longa (LWIR) fortemente para o universo frio através da janela de transparência atmosférica (dentro do comprimento de onda de 8–13 µm). 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Desta forma, o objeto pode ser resfriado passivamente abaixo da temperatura ambiente com zero entrada de energia e emissões de GEE.

O núcleo do SDRC reside na alta refletância solar (R̅solar ≥ 0,9), uma vez que apenas uma pequena porcentagem da absorção solar pode efetivamente aquecer a superfície, mesmo que tenha emitância LWIR perfeita, ou seja, \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1 (Fig. 1a). No entanto, é muito provável que este indispensável alto R̅solar diminua, tornando esta tecnologia ineficaz, após os materiais SDRC expostos ao ambiente natural ao ar livre por apenas alguns meses, o que é essencialmente resultado do envelhecimento ambiental natural22. Embora a capacidade do SDRC nos cenários ideais tenha sido demonstrada por diversos materiais, como filmes finos nanofotônicos5, compósitos polímero-dielétricos apoiados em espelhos de metal7, nanotêxteis poliméricos19,23,24, nanocelulose11 e revestimentos de polímero poroso9,17,18, esses materiais foram raramente avaliados contra o envelhecimento ambiental, principalmente sujeira natural e irradiação UV da luz solar22. Dentre eles, a maioria dos polímeros para SDRC, mesmo não considerando o efeito de escurecimento causado pela sujidade natural, não são resistentes à exposição UV prolongada, o que resulta em aspecto amarelado diminuindo o R̅solar25. Embora o revestimento à base de fluoropolímero poroso para SDRC seja resistente a UV9,26, sua modesta natureza hidrofóbica limita o desempenho antisujidade27. Portanto, para impulsionar o SDRC para aplicações do mundo real com durabilidade de longo prazo, além de propriedades ópticas excepcionais, excelentes resistências à sujeira/UV são altamente desejadas, preferidas juntamente com facilidade de fabricação e escalabilidade na forma de revestimentos à base de tinta.

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>