التسخين السلبي للنظارات من الذهب

طور باحثون في المعهد التقني الفدرالي في زيورخ طلاءًا ذهبيًا شفافًا للغاية يمكنه تحويل ضوء الشمس إلى حرارة. يمكن استخدامه لمنع تعفير الزجاج والأسطح الأخرى. تشمل تطبيقات الطلاء الجديد المرايا ومرايا السيارة وما إلى ذلك.

يشير الباحثون في الفريق بقيادة أساتذة ETH ديموس بوليكاكوس وتوماس شوتزيوس إلى أن طلاءهم تم تصنيعه بطرق مستخدمة على نطاق واسع في التصنيع. باستخدام ترسيب البخار في غرفة نظيفة وتحت فراغ ، تترسب كميات صغيرة من الذهب على السطح. تقدمت ETH Zurich بطلب للحصول على براءة اختراع للطلاء.

تمتص معظم الأشعة تحت الحمراء

تخصص الطلاء الجديد هو أنه يمتص بشكل انتقائي الإشعاع الشمسي. يقع حوالي نصف الطاقة في ضوء الشمس في طيف الأشعة تحت الحمراء ، بينما يقع النصف الآخر في الضوء المرئي وطيف الأشعة فوق البنفسجية. يوضح إيفان هيشلر ، طالب الدكتوراه في المعهد الأوروبي للتكنولوجيا ، والذي كان القوة الدافعة وراء التطوير: “يمتص طلاءنا معظم الأشعة تحت الحمراء ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها حتى 8 درجات مئوية”. تمتص فقط جزءًا صغيرًا من الإشعاع في النطاق المرئي ، وهذا هو السبب في أن الطلاء يكون شفافًا.

يتخذ الطلاء الجديد نهجًا مختلفًا عن طرق مكافحة الضباب التقليدية. تقليديا ، يتم طلاء الأسطح بجزيئات تجذب الماء (محبة للماء) ، مما يؤدي إلى توزيع أكثر اتساقًا للتكثيف. هذه هي الطريقة التي تعمل بها بخاخات مضادات الضباب. لكن الطريقة الجديدة تعمل بدلاً من ذلك على تسخين السطح ، مما يمنع التكثيف الناتج عن الرطوبة من التكون هناك في المقام الأول. هذا هو نفس المبدأ المستخدم في النافذة الخلفية للسيارة. ولكن ، كما يشير Hächler ، فإن التدفئة الكهربائية غير فعالة ومضيعة للطاقة. في المقابل ، يتم تسخين الطلاء الجديد بشكل سلبي وخلال النهار ، لا يلزم وجود مصدر طاقة إضافي.

رفيع ومرن وفعال

Poulikakos و Schutzius ومجموعاتهم يعملون على طلاء أسطح التسخين السلبي لعدة سنوات. قبل ثلاث سنوات ، نشر العلماء أول ورقة بحثية عن طلاء ذهبي يمنع تعفير الأسطح الشفافة (ETH News [https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/03/nanotechnology-and-sunlight-clear-the-way-for-better-visibility.html]) للطلاء الذي قدموه للتو عدد من المزايا الأولى من نوعها: فهو مصنوع من طبقة نانوية ذهبية وهو أرق بشكل ملحوظ ، مما يجعله أكثر شفافية ومرونة. أيضًا ، نظرًا لأنه يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء بشكل أكثر انتقائية ، فهو أكثر شفافية وكفاءة.

قد يكون الذهب باهظ الثمن ، لكن طلاءه يتطلب القليل جدًا ، لذا فإن تكاليف المواد منخفضة ، كما يؤكد الباحثون. يتكون الطلاء من مجموعات ذهبية رفيعة للغاية محصورة بين طبقتين شديدتي الرقة من أكسيد التيتانيوم ، وهو مادة عازلة كهربائية. نظرًا لخصائصها الانكسارية ، فإن هاتين الطبقتين الخارجيتين تزيدان من كفاءة التأثير الحراري. أيضًا ، تعمل الطبقة العليا من أكسيد التيتانيوم كطبقة تحمي الطبقة الذهبية من التآكل. يبلغ سمك هذه “الشطيرة” بأكملها 10 نانومتر فقط. وبالمقارنة ، تبلغ سماكة ورقة الذهب النموذجية اثني عشر مرة.

بالكاد تلامس مجموعات الذهب الفردية بعضها البعض ، مما يسمح للطبقة الذهبية بالبدء في توصيل الكهرباء. لذلك في حالة عدم وجود ضوء الشمس ، يمكن استخدام الكهرباء لتسخين الطلاء.

سيعمل الباحثون الآن على تطوير الطلاء لتطبيقات أخرى. في هذه العملية ، سيقومون بالتحقيق فيما إذا كانت المعادن الأخرى تتصرف مثل الذهب. بالإضافة إلى المرايا والزجاج الأمامي ، يمكن استخدام طريقة منع الضباب هذه حيث يجب أن تكون الأشياء مثل النوافذ أو المرايا أو المستشعرات الضوئية ساخنة وشفافة. ومع ذلك ، لا داعي للخوف من ارتفاع درجة حرارة السيارة أو المبنى في الصيف. يشرح Hächler ، طالب الدكتوراه في ETH: “تمتص الطبقة الأشعة تحت الحمراء من الشمس ، مما يؤدي بشكل خاص إلى تسخين اللوحة ومنع الإشعاع من الوصول إلى داخل السيارة أو المبنى. ونتيجة لذلك ، ترتفع درجة حرارة الجزء الداخلي بدون طلاء”.

تم تمويل هذا المشروع البحثي من قبل مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية.

ملحوظة

Hächler I، Ferru N، Schnöring G، Mitridis E، Schutzius TM، Poulikakos D: المواد المعدنية الشفافة المضادة للتشويش التي تنشط بأشعة الشمس. Nature Nanotechnology 2022 ، دوى: 10.1038 / s41565-022-01267-1 [https://www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1]

ملخص البحث ذو الصلة: مكافحة الضباب باستخدام مواد امتصاص نانوية لأشعة الشمس الانتقائية. Nature Nanotechnology 2022 ، دوى: 10.1038 / s41565-022-01269-z [https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z]