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L'Université Jiaotong de Shanghai développe un nouveau type de film flexible

xinst09 juil.2020

Avec le développement de la science et de la technologie, l' industrie du film biomimétique des matériaux De plus en plus de nouvelles membranes fonctionnelles apparaissent constamment, ce qui apporte plus de commodité à nos vies. Récemment, l'Université Jiaotong de Shanghai a développé un nouveau type de film flexible. Ici, Xinst vous montrera le genre de changements que ce film peut apporter dans la vie des gens!

L'été est chaud, la chose la plus confortable pour les gens est de manger de la pastèque glacée dans la salle climatisée. Qu'il s'agisse d'une pièce fraîche ou d'une pastèque réfrigérée, la technologie de réfrigération est nécessaire. La plupart des technologies de réfrigération existantes sont basées sur la réfrigération par compression de vapeur, qui nécessite l'utilisation de réfrigérants avec une pollution environnementale potentielle d'une part et la consommation de grandes quantités d'électricité d'autre part.

According to statistics, China’s building energy consumption accounts for about 35% of the country’s total energy consumption, and the cooling and air conditioning system’s energy consumption accounts for about 50 to 60% of the building’s energy consumption. Therefore, refrigeration technology has become a major energy consumer, and the technology needs to be updated. . In nature, some organisms have a special surface structure, and through passive radiation, show amazing thermal regulation ability. It is undoubtedly a promising technology to learn nature, prepare special surface structures, and realize passive radiation cooling.

A few days ago, the team of Professor Zhou Han and Professor Fan Tongxiang of Shanghai Jiaotong University and their collaborators discovered that the multi-level micro-nano structure of the long horn beetle (Neocerambyx Gigas) wings shows excellent temperature regulation ability, and then based on the new photomask Method, bionic preparation of a flexible film with a similar structure to achieve passive radiation cooling, at the same time, this technology also realizes the macro preparation of radiation cooling film. Related work was published in “PNAS” as “Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”.

Morphology and thermal regulation mechanism of the long-wing beetle

A long-horned beetle lives in volcanic areas in Indonesia and Thailand. The temperature where it lives usually rises to above 40°C (104°F) in summer, and the ground temperature can reach 70°C (158°F). These long-horned beetles have attracted much attention from researchers due to their ability to resist heat and regulate heat.

The researchers first observed the microstructure of the long wing beetle’s front wing, and found that the surface of the front wing was covered with fluff, with a density of more than 25,500 per square centimeter. The color of the front wing can also effectively resist the fading treatment, showing the structural color characteristics of the photonic crystal. Further observation revealed that each fluff is a triangular structure composed of two smooth surfaces and a rough surface. The rough surface is a corrugated structure with a width of 1 μm and a height of 0.18 μm, which together with the fluff itself constitutes a multi-level rough structure.

The optical properties and temperature adjustment capabilities of the long-horn beetle’s front wing (a) the reflection of the front wing in the visible-near infrared spectral range; (b) the change in the reflectance of the front wing under different ethanol conditions; (cd) the visible-near infrared light Enter the reflection from different directions of the fluff; (e) the ratio of the absorption and reflected light ratio of the front wing in the mid-infrared region with the wavelength; (f) the change of the reflectance of the fluff at different incident angles; (gh) the front wing in vacuum and air The surface temperature changes with (red) and without (black) fluff.

After grasping the microstructure of the surface of the front wing, the researchers studied the optical properties and temperature adjustment capabilities. First of all, the researchers studied the reflection of the front wings with or without fluff, and found that the presence of fluff can increase the light reflectance by more than 35%, and through the immersion experiment of ethanol solution, it was further determined that high reflectance is a benefit Multi-level microstructure existing on the surface. In order to further explore the mechanism principle, the researchers used time-domain finite difference simulation to study the optical characteristics of multi-level microstructures at different incident angles. The optics entering from a side of the triangular corrugated surface with a small incident angle will undergo total internal reflection. At the same time, when the wavelength of the incident light is similar to the ripple width, it will generate strong Mie scattering, so that it has a strong reflectivity at all incident angles. The absorption/emission rate on the surface of the front wing covered with fluff reaches 0.94, which indicates that the beetle dissipates the body’s heat well. The time-temperature curve also shows that in the presence of surface fluff, a significant cooling effect can reach 3.2 ℃ and 1.5 ℃ temperature drops in vacuum and air, respectively. This excellent temperature control ability is beneficial for insects to carry out daily foraging activities in high temperature and sun exposure environments.

Préparation et caractérisation du film bionique

Sur la base de l'étude de la structure de surface et de la capacité de contrôle de la température du longicorne, les chercheurs ont tenté de préparer bionique un film de refroidissement par rayonnement bionique avec une structure similaire et d'obtenir un contrôle du refroidissement par rayonnement.

Préparation et caractéristiques morphologiques des films bioniques film biomimétique. (A) Processus de préparation du modèle et du film bionique; (bc) des photos au microscope électronique à balayage d'un gabarit et d'un film de silicium; (d) Photo macro d'un film bionique; (e) Diagramme schématique du principe de refroidissement du film bionique; (f) Balayage en coupe d'un film bionique Photo au microscope électronique.

 

Dans le processus de préparation, tout d'abord, un gabarit de silicium avec une structure triangulaire est préparé par photolithographie, puis une solution de précurseur contenant des microsphères de silicone et d'alumine est enduite par centrifugation sur la surface du gabarit. Après polymérisation thermique, la surface est séparée en une structure triangulaire. Film structuré. Cette méthode permet d'obtenir une préparation à grande échelle et à grande échelle du film et présente une certaine polyvalence. Il peut réaliser le dopage de diverses particules céramiques telles que l'oxyde de zinc, l'oxyde de zirconium, l'oxyde de magnésium et le dioxyde de titane.

Les propriétés optiques du film de film biomimétique bionique et sa capacité de refroidissement par rayonnement. (A) efficacité de rayonnement du film bionique (noir) et du film lisse (rouge); (b) Rapport entre le taux d'absorption moyen simulé et l'émissivité en TASW; (c) Schéma du dispositif de mesure des performances de dissipation thermique par rayonnement; (d) Film bionique et température de l'air; (e) Chute de température causée par le film bionique; (fh) Intensité de la lumière solaire (f), humidité relative (g) et puissance de dissipation thermique (h) pendant le processus de mesure avec le temps.

 

After obtaining the biomimetic film, the researchers tested its performance, and the results showed that its average reflectivity in the solar spectral range was about 95%, and the average emissivity in TASW was> 0.96, which is compared to the emissivity of the smooth film Has been greatly improved. Then the actual cooling capacity of the film was evaluated. Under the conditions of an average solar intensity of about 862 W·m-2 and a humidity of 22.7%, the average temperature of the bionic film dropped to 5.1 °C and the maximum temperature dropped to 7 ° C. The results show that the biomimetic film can not only cool itself, but also significantly reduce the temperature of the surrounding environment and the equipment or heating body covered by the film.

Le film biomimétique peut non seulement réaliser un refroidissement radiant mais également d'autres fonctions en même temps. Par exemple, en raison de la faible énergie de surface du caoutchouc de silicone combinée à la surface rugueuse de niveau micro-nano du film, le film a également la capacité de super-hydrophobe et d'auto-nettoyage. Les chercheurs ont également appliqué ce type de film de refroidissement par rayonnement bionique à des appareils portables, des appareils électroniques personnels, des automobiles et d'autres appareils, qui ont montré de bons effets de refroidissement.

Les chercheurs ont exploré le principe du contrôle de la température en étudiant la microstructure du longicorne; puis sur la base de ce principe, un film bionique flexible a été préparé pour réaliser un refroidissement passif par rayonnement avec une chute de température moyenne supérieure à 5 ℃; en même temps, cette bionique La flexibilité et l'hydrophobicité du film ont également jeté les bases de son application dans divers appareils portables, appareils électroniques et véhicules. Cette technologie de régulation thermique de refroidissement par rayonnement passif est sans aucun doute plus économe en énergie et écologique. Ces travaux ont également ouvert la voie à la production de masse ultérieure d'une technologie de refroidissement par rayonnement basée sur des radiateurs à photons haute performance.

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