Инновационный гидрогель: терморегуляция без электричества

Природа всегда была источником вдохновения для инженеров. Попутное дерево (Populus alba) демонстрирует поразительную способность адаптироваться к изменениям температуры: в жару его листья сворачиваются, отражая солнечный свет, а ночью конденсирующаяся влага защищает от заморозков, выделяя тепло. Воспроизвести такую сложную систему в искусственных материалах долгое время было непростой задачей.

Теперь исследовательская группа из KAIST разработала материал, имитирующий эту природную стратегию. Их гибкий гидрогель, получивший название "Термостат с фазовым переходом и излучением" (Latent-Radiative Thermostat, LRT), способен автономно регулировать температуру, переключаясь между режимами охлаждения и обогрева. Это достигается благодаря уникальному сочетанию латентной теплоты (испарение и конденсация влаги) и радиационного регулирования (отражение и пропускание света) в одном устройстве.

Ключевым компонентом LRT является композитный гидрогель на основе полиакриламида (PAAm), содержащий ионы лития (Li+) и гидроксипропилцеллюлозу (HPC). Ионы лития способствуют накоплению и конденсации влаги, выделяя тепло, в то время как HPC изменяет свою прозрачность в зависимости от температуры, регулируя отражение и поглощение солнечного света.

Когда температура повышается, молекулы HPC агрегируются, делая гидрогель непрозрачным. Это усиливает отражение солнечного света и, как следствие, эффект естественного охлаждения. LRT автоматически переключается между четырьмя режимами терморегуляции, реагируя на температуру, влажность и солнечное излучение:

• В ночное время или в холодную погоду ниже точки росы LRT поглощает влагу из воздуха, конденсирует ее и выделяет тепло, поддерживая комфортную температуру.
• В пасмурные холодные дни материал пропускает солнечный свет, а поглощенная влага поглощает инфракрасное излучение, создавая согревающий эффект.
• В жарких и сухих условиях внутренняя влага испаряется, обеспечивая мощное испарительное охлаждение.
• При ярком солнечном свете и высоких температурах HPC становится непрозрачным, отражая солнечные лучи, в то же время активное испарительное охлаждение снижает температуру.

Испытания показали, что LRT эффективно снижает температуру летом до 3,7 °C и повышает ее зимой до 3,5 °C по сравнению с традиционными материалами. Моделирование для семи климатических зон предсказывает годовую экономию энергии до 153 МДж/м² по сравнению с существующими кровельными покрытиями. Эта разработка открывает новые перспективы для создания интеллектуальных платформ терморегуляции, особенно в условиях, где применение электроэнергии затруднено, например, для фасадов зданий, крыш и временных укрытий.