Enfriamiento radiativo duradero contra el envejecimiento ambiental | Grupo Co., Ltd de la bobina de acero de Wenzhou

Nature Communications volumen 13, número de artículo: 4805 (2022) Citar este artículo

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Para luchar contra el calentamiento global, la tecnología de enfriamiento radiativo diurno subambiente proporciona un camino prometedor para alcanzar los objetivos de desarrollo sostenible. Para lograr un enfriamiento radiativo subambiente durante el día, el reflejo de la mayor parte de la luz solar es el requisito previo esencial. Sin embargo, la alta reflectancia solar deseada se ve fácilmente amortiguada por el envejecimiento ambiental, principalmente la suciedad natural y la irradiación ultravioleta de la luz solar que causa un color amarillento en la mayoría de los polímeros, lo que hace que el enfriamiento sea ineficaz. Demostramos una estrategia simple para utilizar nanopartículas de dióxido de titanio, con resistencia ultravioleta, formando una morfología porosa jerárquica mediante un ensamblaje impulsado por evaporación, lo que garantiza una antisuciedad equilibrada y una alta reflectancia solar, generando recubrimientos a base de pinturas refrescantes antienvejecimiento. Desafiamos los recubrimientos de enfriamiento en una prueba de erosión acelerada contra 3 años simulados de suciedad natural y 1 año simulado de luz solar natural, y descubrimos que la reflectancia solar solo disminuyó en un 0,4% y un 0,5% en comparación con los que no envejecieron. Además, mostramos más de 6 meses de envejecimiento en condiciones del mundo real sin apenas degradación del rendimiento de refrigeración. Nuestra pintura refrescante antienvejecimiento es escalable y se puede aplicar con aerosol sobre la arquitectura y el contenedor exterior deseados, presentando un enfriamiento radiativo duradero, prometedor para aplicaciones del mundo real.

Nuestro mundo va mal para alcanzar el objetivo de 1,5 °C del Acuerdo de París porque las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI) siguen aumentando1. Si no se toman medidas urgentes para mitigar las emisiones de GEI, algunas partes del mundo serán casi inhabitables para los seres humanos a finales de este siglo2. Hoy en día, más del 10% de las emisiones de GEI provienen de la refrigeración y refrigeración de espacios convencionales3. A medida que el mundo se calienta, se instalan más de 13 nuevos dispositivos de refrigeración cada segundo en todo el mundo, lo que genera más emisiones de GEI y sustancias que agotan la capa de ozono y exacerban el calentamiento global4. Para luchar contra este ciclo de retroalimentación destructivo, la tecnología de enfriamiento radiativo diurno subambiente (SDRC) proporciona un camino prometedor. Se realiza mediante un objeto orientado hacia el cielo que refleja la mayor parte de la luz solar (dentro de una longitud de onda de 0,3 a 2,5 µm) y emite fuertemente radiación infrarroja de onda larga (LWIR) al universo frío a través de la ventana de transparencia atmosférica (dentro de una longitud de onda de 8 a 13 µm). 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. De esta manera, el objeto se puede enfriar pasivamente por debajo de la temperatura ambiente sin aporte de energía ni emisiones de GEI.

El núcleo de SDRC radica en la alta reflectancia solar (R̅solar ≥ 0,9), ya que solo un pequeño porcentaje de la absorbancia solar puede calentar efectivamente la superficie incluso si tiene una emitancia LWIR perfecta, es decir, ${\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$ = 1 (Figura 1a). Sin embargo, es muy probable que este indispensable alto R̅solar disminuya, lo que hace que esta tecnología sea ineficaz, después de que los materiales del SDRC se expongan al ambiente natural al aire libre durante solo varios meses, lo que es esencialmente el resultado del envejecimiento ambiental natural22. Aunque la capacidad del SDRC en los escenarios ideales ha sido demostrada por diversos materiales, como películas delgadas nanofotónicas5, compuestos poliméricos-dieléctricos respaldados con espejos metálicos7, nanotextiles poliméricos19,23,24, nanocelulosa11 y recubrimientos poliméricos porosos9,17,18, estos materiales fueron rara vez se evalúa contra el envejecimiento ambiental, principalmente la suciedad natural y la irradiación ultravioleta de la luz solar22. Entre ellos, la mayoría de los polímeros para SDRC, incluso sin considerar el efecto de oscurecimiento causado por la suciedad natural, no son resistentes a la exposición a los rayos UV a largo plazo, lo que resulta en una apariencia amarillenta que reduce el R̅solar25. Si bien el recubrimiento poroso a base de fluoropolímero para SDRC es resistente a los rayos UV9,26, su modesta naturaleza hidrofóbica limita el rendimiento antisuciedad27. Por lo tanto, para impulsar el SDRC hacia aplicaciones del mundo real con durabilidad a largo plazo, además de propiedades ópticas excepcionales, es muy deseable una excelente resistencia a la suciedad y a los rayos UV, preferida junto con la facilidad de fabricación y la escalabilidad en forma de recubrimientos a base de pintura.

a Potencia neta de refrigeración en función de la temperatura ambiente para varios R̅solar. El cálculo teórico se basa en el análisis del equilibrio de la transferencia de calor en estado estacionario (detalles en Método). El enfriamiento subambiental es difícil de lograr cuando R̅solar < 0,9 incluso si el material tiene un ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$. b La eficiencia de dispersión de una sola partícula esférica de TiO2 en función del diámetro de la partícula en un rango de longitud de onda de 0,3 a 2,5 µm en diferentes medios de dispersión. c Curvas de reflectancia simuladas y valores R̅solares resultantes en función de la densidad de empaquetamiento (ϕ) de nanopartículas (NP) de TiO2 para una película de 2 µm de espesor. La tendencia decreciente de la reflectancia en el círculo discontinuo se debe al efecto de dispersión dependiente del amontonamiento de partículas. d Relación entre el ángulo de contacto aparente con el agua (θapp) y el ángulo de contacto intrínseco de Young (θY) de las superficies de TiO2. e R̅solar y θapp anticipados en función de ϕ resultantes de f los tres regímenes propuestos: I, II y III. Una compensación entre R̅solar y θapp hace que el régimen II sea el objetivo de diseño para obtener excelentes rendimientos de enfriamiento radiativo y antisuciedad al mismo tiempo. El grado de dispersión dependiente añade complejidad para anticipar la variación de R̅solar cuando ϕ es alto. Por tanto, en e, la línea discontinua de la curva de datos de reflectancia solar sólo indica una posible tendencia de variación.

En este trabajo, en respuesta a los abrumadores requisitos anteriores, demostramos un recubrimiento basado en pintura de enfriamiento antienvejecimiento (AACP), que presenta una morfología porosa jerárquica ensamblada impulsada por la evaporación, compuesta por nanopartículas (NP) hidrofóbicas de dióxido de titanio (TiO2). Exhiben excelentes capacidades de enfriamiento incluso después de someterse a pruebas de erosión acelerada de 3 años simulados de suciedad natural, 1 año simulado de luz solar natural y más de 6 meses de envejecimiento en condiciones del mundo real. Nuestro AACP es una suspensión que se puede rociar y pintar sobre diversos sustratos de manera escalable, lo que resulta prometedora para aplicaciones comerciales.

Diseñamos el AACP en base a tres criterios: (1) el material debe ser intrínsecamente resistente a la irradiación UV, (2) el recubrimiento derivado debe tener R̅solar ≥ 0,9 y (3) la superficie del recubrimiento debe poder reducir la acumulación de sustancias ( ej., contaminantes comunes de la suciedad). Para satisfacer el primer criterio, decidimos no utilizar aglutinantes poliméricos en nuestra formulación, porque la mayoría de los polímeros comunes reaccionan a la luz ultravioleta y se vuelven amarillentos después de una exposición prolongada a los rayos UV25. En su lugar, utilizamos NP de TiO2 de tipo rutilo para formar capas de revestimiento porosas. Las NP de TiO2 son fuertes dispersiones de luz (índice de refracción ${n}_{{{{{{\rm{Ti}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}_{ 2}}$ ≈ 2.7), comúnmente utilizado como componente de mitigación de rayos UV, disponible comercialmente y rentable28. Aunque el TiO2 se ha estudiado para el enfriamiento radiativo diurno desde la década de 1970, la falta de capacidad para realizar un enfriamiento subambiente bajo la luz solar directa hace que su valor práctico sea muy limitado29. El enfriamiento radiativo subambiente bajo luz solar directa basado en TiO2 se ha logrado recientemente agregando partículas fluorescentes para microesferas de sílice y R̅solar mejoradas para una mayor ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}} }}}}$30, que crea una pintura de enfriamiento radiativo basada en TiO2 de mayor complejidad. Convencionalmente, se creía que la absorbancia UV de las NP de TiO2 y la absorbancia del infrarrojo cercano (NIR) de aglutinantes poliméricos comunes tenían un impacto adverso para que los recubrimientos a base de pintura alcanzaran R̅solar > 0,931. Sin embargo, observamos que la proporción de energía dentro de la región UV (longitud de onda de 0,28 a 0,4 µm) solo representa el 4,5% de todo el espectro solar (Figura complementaria 1). Por lo tanto, podemos compensar la absorbancia de UV suprimiendo la absorbancia de NIR reemplazando el polímero con aire que forma una morfología porosa. Y observamos que el índice de refracción del aire (${n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}$ = 1) es menor que el del aglutinante polimérico común ($ {n}_{{{{{{\rm{polímero}}}}}}}$ ≈ 1,5)32. Según la ley de Snell, una gran diferencia en el índice de refracción entre dos medios diferentes conduce a una alta magnitud de refracción de la luz. Por lo tanto, las NP de TiO2 en el aire deberían dispersar la luz con más fuerza que en los polímeros. Para evaluar más a fondo esta propiedad óptica teóricamente, calculamos numéricamente la eficiencia de dispersión (Qsca) de una sola partícula esférica de TiO2 en función del diámetro de la partícula en todo el espectro solar según la teoría de Mie (detalles en Métodos). Comparamos el Qsca de la partícula de TiO2 en un medio circundante de aire o polímero con índices de refracción preestablecidos (${n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}$ = 1 y $ {n}_{{{{{\rm{polímero}}}}}}}$ = 1,5). Descubrimos que, dentro del espectro solar, una sola partícula de TiO2 podría dispersar la luz solar con más fuerza en el aire que en el polímero (Fig. 1b). Empíricamente, la magnitud de R̅solar es equivalente a la magnitud total de la dispersión de NP de TiO2, que está determinada por el número de interfaces aire/partícula a través de las cuales pasa la luz. Por lo tanto, para recubrimientos con igual espesor compuestos de NP de TiO2 con el mismo tamaño, una alta densidad de empaquetamiento (ϕ) de NP, lo que significa una gran cantidad de interfaces aire/partícula, debería poder satisfacer el segundo requisito (R̅solar ≥ 0,9). Sin embargo, observamos que la acumulación de NP de TiO2 da lugar a una dispersión dependiente que conduce a una reducción de la eficiencia de la dispersión, en contraste con la dispersión independiente, en la que la distancia entre las partículas dispersas es lo suficientemente grande como para ignorar el efecto de dispersión provocado por la presencia de partículas vecinas33. . Este fenómeno es evidente para un recubrimiento delgado compuesto de NP con alta densidad de empaquetamiento, corroborado por simulaciones en el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) (Fig. 1c). En la práctica, para compensar este efecto adverso de dispersión dependiente, podemos fabricar un recubrimiento grueso compuesto de partículas con una amplia distribución de tamaño para aumentar el poder de dispersión total (Figura complementaria 5). Sin embargo, el aumento continuo de ϕ de las NP de TiO2 podría no generar una R̅solar más alta como se esperaba intuitivamente. En otras palabras, deberíamos poder obtener R̅solar alto con ϕ en la región media, ni muy bajo ni alto.

Para cumplir con el último criterio de capacidad para reducir la acumulación de sustancias, nuestro objetivo es obtener una fuerza de adhesión superficial baja mediante la no humectabilidad27,34,35. Aquí, la ecuación gobernante se basa en el modelo de Cassie-Baxter (Figuras complementarias 2, 10 y 11), es decir, cos θapp = f (1 + cos θY) −1, donde θapp es el ángulo de contacto aparente, θY es el ángulo de Young. ángulo de contacto, y f la fracción de contacto líquido-sólido (detalles en Métodos). Como se muestra en la Fig. 1d, θY de la superficie prístina y lisa de TiO2 es de solo ~ 1 °. Para lograr el valor crítico para una superficie que no se moja, 150° de θapp, se requiere que f < 10%, lo cual es un gran desafío para una aplicación práctica escalable. La superficie fluorada plana y lisa de TiO2 tiene θY como ~120°, luego el valor crítico de f aumenta a ~0,3 para tener θapp ≥ 150° para lograr la no humectabilidad, lo que convierte a la topología de superficie porosa en un candidato potencial.

Anteriormente, la no humectabilidad se lograba mediante la construcción de una morfología de superficie jerárquica a partir de NP de TiO2 fluorado empaquetado al azar36. Sin embargo, ajustar únicamente la morfología de la superficie no puede cumplir nuestro objetivo, que es cumplir los tres criterios anteriores al mismo tiempo: resistencia a la irradiación UV, alta R̅solar y gran no humectabilidad. Por lo tanto, además de la morfología de la superficie, se deben considerar en conjunto la morfología global y sus propiedades ópticas y humectantes asociadas para obtener un rendimiento de enfriamiento radiativo duradero. Consideramos que la superficie y el volumen del recubrimiento poseen una morfología similar, por lo que la magnitud de f debe ser directamente proporcional a la magnitud de ϕ (Figura complementaria 6). Por lo tanto, desde la perspectiva del análisis cualitativo, proponemos que la magnitud de ϕ y f conduce a tres regímenes distintos, como se muestra en la figura esquemática 1e, y anticipamos que R̅solar y θapp varíen en función de la densidad de empaquetamiento de NP de TiO2 (ϕ ) resultantes de estos tres regímenes. Cada régimen presenta un conjunto de características de R̅solar y θapp, correspondiente al esquema presentado en la Fig. 1f, con una trayectoria de luz hipotética y una interfaz de contacto líquido-sólido. En el régimen I, la ϕ baja conduce a una dispersión de la luz relativamente débil, por lo que la luz tiene un recorrido largo, penetra profundamente en el recubrimiento y puede alcanzar el sustrato, lo que resulta en una transmisión de luz. Mientras que, al mismo tiempo, la baja f conduce a θapp > 150°, lo que indica una buena no humectabilidad. En el régimen III, el escenario es todo lo contrario. La alta ϕ conduce a una fuerte dispersión de la luz, un recorrido corto y, por lo tanto, una penetración poco profunda, lo que hace que la luz gire con relativa rapidez. La alta f conduce a θapp < 150°, lo que indica una hidrofobicidad modesta, lo que no es beneficioso para fines antisuciedad. Por lo tanto, se prefiere que el régimen II sea el objetivo de diseño para equilibrar los altos R̅solar y θapp deseados.

A partir de estos principios, creamos AACP seleccionando NP de TiO2 con una distribución de tamaño centrada en alrededor de 0,3 µm. Esta amplia distribución de tamaño no solo es útil para que las NP de TiO2 dispersen fuertemente la luz dentro del espectro solar a través del efecto colectivo de las resonancias de Mie24 (Fig. 2a, Fig. complementaria 5), sino que también es útil para obtener micro/nano-rugosidad para robustas no humectabilidad36. Mezclamos las NP de TiO2 y el perfluorooctiltriclorosilano (PFOTS) en etanol para crear una suspensión de AACP. Dispensamos esta suspensión en gotas sobre el sustrato, dejamos que el etanol se evapore para formar una capa de recubrimiento uniforme (detalles en Métodos). Como se presenta en la Fig. 2b, el recubrimiento muestra ensamblajes de NP de TiO2 en escalas de longitud dual que forman micro/nano-rugosidad. Se implementó la dispersión de rayos X ultrapequeña (USAXS) para caracterizar la morfología masiva del recubrimiento que demuestra una naturaleza porosa jerárquica, presentando poros de aire con dos escalas de longitud distintas a ~110 y 350 nm (detalles en Métodos) (Figura complementaria 7). Se injertó PFOTS (Fig. 2c) en la superficie de NP de TiO2 mediante silanización, lo que se muestra mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) como una capa externa borrosa (Fig. 2d). La reacción de silanización no solo agrega un componente de fluoruro que reduce la energía superficial del recubrimiento AACP, sino que también mejora su emitancia dentro de la ventana de transparencia atmosférica, debido a las vibraciones de estiramiento colectivas del carbono-flúor (C − F), carbono-carbono (C − C ), enlaces silicio-oxígeno (Si - O) y silicio-oxígeno-silicio (Si - O - Si) entre 7 y 10 µm (Fig. 2e y f, y Fig. complementaria 8) 37. Evaluamos las propiedades ópticas y humectantes del recubrimiento AACP en función de la densidad de empaquetamiento de NP de TiO2 (ϕ de 0,33 a 0,53), presentada en la Fig. 2g. R̅solar sube a ~0,94 con un denso empaquetamiento de NP de TiO2, mientras que ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$ (~0,97) es insensible a la variación de ϕ. Dado que la variación de θapp, que disminuye de 158° a 153°, no es significativa en comparación con los grandes ángulos de contacto, medimos el ángulo de caída (θroll) como complemento38, mostrando una tendencia creciente de 1,2° a 4,0°. Observamos que estos resultados concuerdan con nuestras anticipaciones, como se muestra en la Fig. 1e, lo que representa un rango de ϕ centrado alrededor de 0,45 para propiedades ópticas y de humectación óptimas. Específicamente, con ϕ ≈ 0,45, podemos fabricar de forma rutinaria un recubrimiento AACP súper repelente con R̅solar = 0,93 ± 0,02 y ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}} }}}$ = 0,97 ± 0,01 de forma altamente reproducible. Y nos dimos cuenta de estas excelentes propiedades ópticas con un espesor de recubrimiento de solo aproximadamente 100 µm, que es mucho más delgado que el recubrimiento polimérico SDRC, que generalmente es > 300 µm9 (Figura complementaria 9). Al utilizar el método de calentamiento por pasos, obtuvimos una potencia de enfriamiento de 84,9 ± 14,8 W m-2 bajo una fuerte irradiancia solar (Isolar) de 920 W m-2 (Figura complementaria 13). Y al utilizar el método de calentamiento de seguimiento cercano, obtuvimos una potencia de enfriamiento de aproximadamente 95 W m-2 bajo luz solar intensa de 11 a. m. a 4 p. m. (Figura complementaria 14).

una distribución de tamaño de NP de TiO2 (caracterizada por la dispersión dinámica de la luz) y la eficiencia de dispersión calculada (Qsca) en función del tamaño de las partículas y la longitud de onda de la luz incidente. Los fuertes picos de dispersión de partículas de distintos tamaños cubren todo el espectro solar favoreciendo una alta reflectancia solar (R̅solar). b Imagen de microscopía electrónica de barrido que muestra la superficie de recubrimiento AACP compuesta de NP de TiO2 que forman micro/nanorugosidad. c Una estructura alámbrica que muestra la estructura de PFOTS. d Imagen TEM que muestra el componente de fluoruro injertado en la superficie de TiO2 NP. El espectro de absorbancia infrarroja de la transformada de Fourier muestra la vibración de estiramiento C-F entre 7,35 y 10 µm debido a la fluoración, lo que conduce a una alta emitancia del recubrimiento AACP en el rango de longitud de onda correspondiente. g R̅solar, ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$, θapp y θroll en función de la densidad de empaquetamiento de NP de TiO2 (ϕ). El área sombreada representa un rango de ϕ para propiedades ópticas y humectantes óptimas.

Se cree que una de las aplicaciones más premiadas de AACP es su uso como material fresco para techos. El envejecimiento real de los materiales fríos para tejados incluye principalmente la suciedad y la intemperie. La suciedad se debe principalmente a la deposición de negro de carbón en el aire, polvo, materia orgánica particulada (POM) y crecimiento microbiano. La meteorización se debe principalmente a la exposición a la irradiación ultravioleta de la luz solar natural, acompañada de la humedad y la variación de temperatura entre el día y la noche. Se necesita bastante tiempo, generalmente varios años, para que los materiales del techo alcancen un estado casi estacionario de R̅solar y ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}} }}}$39. Por lo tanto, para evaluar cuantitativamente el desempeño antienvejecimiento del AACP, realizamos pruebas aceleradas de suciedad e intemperismo basadas en la norma ASTM D7897-18 (detalles en Métodos), que fue desarrollada particularmente para simular los efectos naturales del envejecimiento ambiental en R̅solar y $ {\bar{\varepsilon }}_{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$ de materiales para techos de forma acelerada, equivalente a 3 años de suciedad natural y 1 año de sol natural de Florida40 . Siguiendo este estándar (Fig. 16 complementaria), nos ensuciamos (mezcla de hollín, polvo, POM y sales) y resistimos (4 h de lluvia simulada a 50 °C, 8 h de UV con 0,89 W m−2 a 340 nm y 60 °C) las muestras de recubrimiento y luego midió el R̅solar. Encontramos que el R̅solar del recubrimiento AACP disminuyó solo un 0,4% en comparación con el sin suelo (de 0,930 a 0,926). Mientras que, en comparación, el R̅solar del revestimiento de pintura blanca altamente reflectante disminuyó un 9,0% (de 0,866 a 0,788, Fig. 3a). La disminución de R̅solar para pintura blanca puede parecer aceptable. Sin embargo, como señalamos anteriormente (ver Fig. 1a), para realizar SDRC, R̅solar debe ser ≥0.9, lo cual es evidente en las mediciones de temperatura de estas muestras de recubrimiento bajo un fuerte Isolar de 915 W m-2 (Fig. 3b, pico aislado > 1000 W m-2, figuras complementarias 17 y 18). Para imitar las condiciones operativas del mundo real, todas las pruebas de campo se realizaron sin cubierta protectora contra el viento. Registramos la diferencia de temperatura (ΔT) entre la muestra de recubrimiento (Tsamp) y el aire ambiente (Tair), donde ΔT = Tsamp - Tair. El ΔT de la capa de pintura blanca aumentó de 0,3 a 4,7 °C después de ensuciarse. Incluso el recubrimiento poroso de fluoropolímero, como material SDRC de última generación, no puede conservar su capacidad de enfriamiento frente a esta prueba de suciedad, debido a su modesta hidrofobicidad (Figuras complementarias 19 y 20). Mientras tanto, el $\triangle T$ de nuestro recubrimiento AACP aumentó apenas de −3,8 a −3,5 °C, sin apenas afectar el rendimiento de refrigeración. Además, goteamos lodo viscoso, como agente de suciedad ultrapesado, sobre el recubrimiento AACP para mostrar su excelente capacidad para reducir la acumulación de sustancias contaminantes (Fig. 3c, Fig. 21 complementaria, Película complementaria 1). La prueba de intemperismo acelerado se realizó con 1000 h de exposición a los rayos UV a 60 °C (Fig. 3d), equivalente a 1 año de luz solar natural en Florida39. Debido a la resistencia a los rayos UV de las NP de TiO2 y los fuertes enlaces C - F en PFOTS, el R̅solar del recubrimiento AACP solo disminuyó un 0,5% del original (de 0,925 a 0,920). El ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$, θapp y θroll se mantuvieron casi sin cambios. En comparación, el R̅solar de la capa de pintura blanca disminuyó un 5,4% (de 0,856 a 0,810), el ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}} $ disminuyó un 2,3% (de 0,944 a 0,922) (Figura complementaria 23).

a R̅solar después de prueba de suciedad acelerada según norma ASTM D7897-18, equivalente a 3 años de suciedad natural. El revestimiento AACP sucio demostró R̅solar casi intacto en comparación con el que no estaba sucio. Los recuadros presentan apariencias visuales de las muestras de recubrimiento antes y después de ensuciarse. b Mediciones de la temperatura del recubrimiento que muestran un excelente rendimiento antisuciedad del recubrimiento AACP (23 de agosto de 2021, Chengdu). c Lodo viscoso goteó y fluyó del revestimiento AACP mostrando una excelente función de autolimpieza. d Las propiedades ópticas y humectantes casi sin cambios del recubrimiento AACP después de 1000 h de exposición a los rayos UV (0,89 W m-2 a 340 nm y 60 °C), equivalente a 1 año de luz solar natural en Florida.

A diferencia del envejecimiento simulado, el envejecimiento en el mundo real es más complejo. La suciedad y la intemperie son sinérgicas para favorecer el curso del envejecimiento39. Para compensar la limitación del envejecimiento simulado, realizamos una exposición al aire libre de más de 6 meses de duración en Chengdu (clima húmedo y cálido) y Xi'an (clima seco y cálido) de China para probar la durabilidad de los recubrimientos frente al envejecimiento real. (Fig. 4a, by Fig. complementaria 25). Todos los portaobjetos de recubrimiento se dividieron en tres regiones: no expuestas/(expuestas, lavadas)/(expuestas, sin lavar). El ${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$ de todas las muestras solo tuvo una pequeña disminución. Para el recubrimiento de pintura blanca, el R̅solar de las tres regiones fue 0,832/0,769/0,725, mostrando una disminución del 7,6% y 12,9% respectivamente. Cabe destacar que la disminución de nuestro AACP fue de sólo 0,4% y 1,7% (0,931/0,927/0,915). En cuanto a las propiedades de autolimpieza de los recubrimientos AACP, después del envejecimiento, θapp se mantuvo por encima de 150° y θroll se mantuvo por debajo de 5°.

a Fotografías yb las propiedades ópticas y humectantes del AACP y la capa de pintura blanca después de 6 meses de exposición al aire libre (Chengdu, 30°40'36''N, 104°6'28''E, del 25 de abril al 10 de noviembre de 2021 ). Estudiamos las propiedades ópticas y humectantes de los recubrimientos contra el envejecimiento ambiental dividiendo el portaobjetos de recubrimiento (5 × 15 cm) en tres regiones: no expuesta/(expuesta, lavada)/(expuesta, sin lavar). c Demostración del revestimiento por pulverización yd Revestimiento exterior con revestimiento AACP (40 × 80 cm). El recuadro es una imagen infrarroja que muestra la caída de temperatura de la loseta recubierta con AACP (29 de octubre de 2021, Guangzhou, China). La caja de hojalata recubierta de AACP (47 × 32 × 32 cm) sirvió como prueba de concepto, demostrando el SDRC. El Isolar promediado fue de 945 W m-2 (pico Isolar > 1000 W m-2). Los recuadros muestran la configuración de medición de temperatura y la apariencia visual de las cajas de hojalata. Para caja de estaño recubierta con AACP, ΔT ≈ −5,2 °C (25 de mayo de 2021, Chengdu).

Reforzamos aún más la estabilidad mecánica de los recubrimientos AACP utilizando la estrategia "pintura + adhesivo" (Figura complementaria 26) 36,41. Una capa de adhesivo une fuertemente el recubrimiento AACP al sustrato, lo que brinda robustez contra el chorro de agua a alta velocidad, el despegue de la cinta, la abrasión por caída de arena y la prueba de rayado (Figuras complementarias 27 a 30, Tabla complementaria 2 y Película complementaria 3). Nuestra formulación AACP se puede aplicar por goteo o inmersión, y se puede rociar sobre diversos sustratos, como la pared exterior de un edificio (Fig. 4c), vidrio, metal, madera y plástico. Observamos que se pueden obtener excelentes valores R̅solar (~0,92) independientemente de los materiales del sustrato (Figura complementaria 32 y Tabla complementaria 3), lo que hace que nuestro AACP sea ideal para material para techos exteriores. Específicamente, fabricamos media docena de azulejos de pared exterior recubiertos con AACP para demostrar el rendimiento de enfriamiento de manera escalable (Fig. 4d, Figs. 33 y 34 complementarias, Película complementaria 4 y 5). Además, como prueba de concepto, medimos la temperatura del aire interior de la caja de hojalata recubierta de AACP al mediodía para mostrar su gran potencial como material fresco para techos (Fig. 4e).

En resumen, demostramos una estrategia para realizar un recubrimiento de enfriamiento radiativo duradero contra el envejecimiento ambiental severo en forma de pintura, a saber, pintura de enfriamiento antienvejecimiento (AACP), a través de NP de TiO2 ensambladas impulsadas por evaporación. Nuestro AACP es fundamentalmente diferente de los materiales de enfriamiento radiativo existentes equipados con hidrofobicidad (Tabla complementaria 4): la ausencia de aglutinantes poliméricos en los recubrimientos no solo evita por completo el problema de la degradación UV, sino que también conduce a una diferencia mucho mayor en el índice de refracción entre TiO2 y aire en comparación con los materiales poliméricos SDRC porosos, lo que mejora en gran medida la capacidad de dispersión de la luz, lo que nos permite obtener una alta R̅solar contraintuitiva con un recubrimiento mucho más delgado; la morfología jerárquica formada por NP de TiO2 fluorado ensambladas impulsadas por evaporación que poseen una característica autosimilar, lo que garantiza una función de autolimpieza duradera contra el envejecimiento al aire libre. Las prestaciones ópticas y antienvejecimiento resultantes, acompañadas de una fabricación sencilla, una excelente escalabilidad y rentabilidad (Figura complementaria 36, Tabla complementaria 5), no se pueden lograr con los enfoques existentes que implican sustrato reflectante, arquitecturas multicapa o postmodificación complicada de materiales de enfriamiento radiativo existentes, especialmente cuando la escalabilidad es una propiedad deseada. Una mayor exploración de esta estrategia de implementación de NP inorgánicas se puede extender a una amplia gama de materiales (Figura complementaria 35), como carbonato de calcio, óxido de aluminio, dióxido de silicio, sulfato de bario y otros pigmentos coloreados que satisfacen el confort visual, empujando al SDRC hacia las aplicaciones del mundo real.

1H,1H,2H,2H-perfluorooctiltriclorosilano (PFOTS), nanopartículas (NP) de dióxido de titanio (TiO2) de tipo rutilo (Figura complementaria 3), partículas de dióxido de manganeso (MnO2), negro de humo, óxido férrico (Fe2O3), ácido húmico ( HAc), cloruro de sodio (NaCl), nitrato de sodio (NaNO3), sulfato de calcio dihidrato (CaSO4 ∙ 2H2O), etanol (95%), acetona (99%), formaldehído (99%) y tolueno (99%) se adquirieron en Aladdin, Co. Todos los productos químicos anteriores se utilizaron tal como se recibieron. El agua desionizada (DI) se produjo a partir del sistema de purificación de agua Millipore Synergy UV-R. Se adquirieron portaobjetos de vidrio de borosilicato (170 µm de espesor) de Marienfeld Superior. Se utilizaron adhesivos de diversas marcas obteniendo rendimientos similares. Se compró pintura blanca comercial de Sherwin-Williams (extra blanca, número de producto A74W00051). El poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP, Kynar Flex® 2801) se adquirió de Arkema. Placas de plata y aluminio, láminas de plástico (5 mm de espesor) de poli(metilmetacrilato) (PMMA), láminas de tilo (10 mm de espesor), agentes de suciedad (incluidas montmorillonita, bentonita, cenizas de carbón y arena), láminas de aluminio, azulejos para paredes exteriores. (40 × 80 cm), cajas de hojalata (47 × 32 × 32 cm) y equipos de recubrimiento por aspersión se compraron en el mercado local.

Se agregaron PFOTS y TiO2 NP al etanol, que se agitó durante 5 h a temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C) para obtener una suspensión aparentemente uniforme. Se utilizó de forma rutinaria una relación en peso de PFOTS/TiO2/etanol de 0,1/1,3/10 (Fig. 12 complementaria) para fabricar la suspensión de AACP. La suspensión de AACP preparada se podría arrojar/inmersionar o rociar/aplicar con brocha sobre diversas superficies para formar recubrimientos uniformes. En el presente trabajo, se eligió el método drop-cast para fabricar de forma rutinaria recubrimientos a partir de AACP. Al utilizar microscopía electrónica de barrido para observar la imagen de la sección transversal de las capas de recubrimiento, obtuvimos el espesor del recubrimiento (Figura complementaria 4). Los datos de espesor promedio y la desviación estándar correspondiente se obtuvieron de al menos 5 mediciones en diferentes posiciones. Para mejorar la durabilidad mecánica de los recubrimientos AACP, primero se aplicó una capa de adhesivo sobre el sustrato antes de aplicar el AACP, mejorando la fuerza de cohesión entre el sustrato y el AACP. Se utilizó pintura blanca comercial tal como se recibió para aplicar con brocha sobre el sustrato como grupo de control. Los recubrimientos porosos de PVDF-HFP se obtuvieron mediante un proceso basado en inversión de fases según un informe anterior9. En resumen, primero se mezclaron PVDF-HFP y acetona para formar una mezcla de solución, luego se añadió agua para inducir la inversión de la fase líquido-sólida para tener recubrimientos sólidos. La relación en peso de PVDF-HFP/acetona/agua fue 1/8/1. Para la demostración de escalabilidad de la AACP, se empleó un pulverizador para pintar azulejos de pared exterior. Para obtener una capa de recubrimiento uniforme de aproximadamente 100 µm, se eligieron una serie de parámetros del equipo para este propósito, que incluyen 0,1 bar como presión de impulsión, un tamaño de boquilla de 2,5 mm, lo que genera 320 ml min-1 como caudal y aproximadamente 40 cm como distancia de pulverización. , y tiempo de pulverización de aproximadamente 1 min para pintar toda la pieza (40 × 80 cm).

El cálculo de la densidad de empaquetamiento (ϕ) se basó en el principio de conservación de masa. La densidad de masa de las NP de TiO2 es de aproximadamente 4,26 g cm-3, medida con el picnómetro Ultrapyc 5000. Como ejemplo, para un sustrato de 5 × 5 cm, el contenido sólido usado de la suspensión de TiO2 es 0,48 g (la relación en peso de TiO2/etanol es 1,3/10), el espesor del recubrimiento seco medido es de aproximadamente 100 µm, luego ϕ se calcula como \ (\frac{0.478{{{{{\rm{g}}}}}}/4.26{{{{{\rm{g\; c}}}}}}{{{{{{\rm{m }}}}}}}^{-3}}{25{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2 }\veces 100{{{{{\rm{\mu }}}}}}{{{{{\rm{m}}}}}}}\aproximadamente 0,45\). En la práctica, la concentración de TiO2 en el etanol es el factor determinante para controlar la magnitud de ϕ, correspondiendo una concentración alta a una ϕ alta y viceversa.

La reflectancia solar (R̅solar) de AACP y otras muestras de recubrimiento se midió y promedió dentro del rango de longitud de onda (λ) de 0,3 a 2,5 µm utilizando PerkinElmer LAMBDA 950 con una esfera integradora de politetrafluoroetileno. La emitancia de los recubrimientos se midió dentro de λ de 2,5 a 16 µm utilizando PerkinElmer Spotlight 200I con una esfera integradora de oro. La emitancia infrarroja de onda larga (LWIR) (${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$) en la ventana atmosférica transparente se calculó promediando los datos de emitancia en longitudes de onda de 8 a 13 µm. Para cada muestra de recubrimiento, los datos promediados y la desviación estándar correspondiente se obtuvieron de al menos 3 mediciones.

Las mediciones del ángulo de contacto estático aparente con el agua (θapp) y del ángulo de caída (θroll) se realizaron en OCA 50 AF, Dataphysics. Para medir θapp, se colocó una gota de 6 µL sobre la superficie del recubrimiento y se mantuvo quieta. El ángulo entre la tangente a la interfaz líquido-vapor y la superficie sólida se registró como θapp. Para medir θroll, se colocó una gota de 10 µL sobre la superficie del recubrimiento y el sustrato se inclinó a una velocidad de 0,1° por segundo. El valor de θroll se registró en el momento del rodamiento de la gota. Para cada muestra de recubrimiento, los datos promediados y la desviación estándar correspondiente se obtuvieron de al menos 5 mediciones en diferentes posiciones.

Para obtener el factor de disipación de energía (EDF) de las gotas de agua mientras impactan sobre las superficies del recubrimiento, se liberó una gota de agua de 5 µL desde una altura de 10 mm para impactar la superficie del recubrimiento, y la gota rebotó después del impacto. La altura máxima (h, unidad de mm) de la gota que rebota después del primer impacto se registró utilizando una cámara de alta velocidad (Photron, Fastcam SA5) con 10.000 fps (cuadros por segundo). Entonces el FED se define como FED = (10 − h)/10. Para cada muestra de recubrimiento, los datos promediados y la desviación estándar correspondiente se obtuvieron de al menos cinco mediciones en diferentes posiciones.

Las imágenes de microscopía óptica se adquirieron en un microscopio Nikon LV ND. Los análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) se realizaron en Phenom Pro X. El análisis morfológico y elemental de las NP de TiO2 se realizó mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) utilizando FEI Talos F200S Super-X. El análisis termogravimétrico (TGA) de las muestras de recubrimiento se realizó en Q50 TGA (TA Instrument) con una velocidad de calentamiento de 10 °C min-1 bajo un flujo de gas nitrógeno (50 ml min-1). El análisis del grupo funcional se realizó mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, Thermo Fisher Nicolet Is10). El patrón de difracción de rayos X en polvo de las NP de TiO2 se adquirió utilizando un difractómetro de rayos X (XRD, Bruker D8 Advance). La distribución del tamaño de partículas de las NP de TiO2 se examinó mediante dispersión dinámica de luz (DLS), medidor de partículas láser, Zetasizer Nano ZS-90. Se realizaron experimentos de dispersión de rayos X de ángulo ultrapequeño (USAXS) en la línea de luz BL10U1 en la Instalación de Radiación Sincrotrón de Shanghai. Se utilizó un detector Eiger-4M para recopilar datos de dispersión bidimensionales (2D). La longitud de onda de los rayos X era de 1,24 Å (energía correspondiente a 10 keV). El tamaño del haz fue de 400 × 450 µm. Todas las muestras se recubrieron sobre un sustrato de mica circular (casi transparente a los rayos X) con 0,1 mm de espesor y 30 mm de diámetro. La distancia entre el revestimiento y el detector era de 27.600 mm. El tiempo de recolección de datos fue de 10 s para todas las mediciones. Se utilizó el software Fit2D (v12.077) para reducir los datos sin procesar 2D a curvas unidimensionales (1D). Se empleó una cámara de infrarrojos (R300, Mission Technology Co.) para obtener imágenes de infrarrojos.

Se empleó FDTD Solutions de Lumerical 2020 R2.4 para investigar el efecto de la densidad de empaquetamiento de NP de TiO2 y el efecto del tamaño de las nanopartículas en la reflectancia solar del recubrimiento. La dimensión de la malla es 20 × 20 × 20 nm. Debido al poder de cálculo limitado, se aplicó el modelo de empaquetamiento cerrado, el espesor de la película se estableció en 2 µm y el espectro simulado es de 0,25 a 2,5 µm de longitud de onda. También se estudiaron espesores de 10 y 20 µm y se obtuvo una tendencia de variación similar. Se utilizó un diámetro de 200 nm de NP de TiO2 para generar la fecha de la Fig. 1c. Los resultados se presentan en la figura complementaria 5.

Todas las pruebas de campo se realizaron en Chengdu, China. Para imitar las condiciones operativas reales de AACP, medimos la variación de temperatura de los recubrimientos y la potencia de enfriamiento sin la implementación de protección contra el viento y la radiación. Todas las muestras se recubrieron sobre sustratos de vidrio con un respaldo de cinta negra, que podría absorber la luz transmitida, si la hubiera. El termopar tipo J se colocó en la parte posterior del vidrio y se conectó al registrador de datos de termopar de 4 canales Onset HOBO UX120-014M. Los datos de irradiancia solar (Isolar) se registraron utilizando un piranómetro de termopila SP-510 de Apogee Instrument. El termopar que monitorea la temperatura ambiente estaba protegido por un termómetro para evitar el calentamiento solar directo. Todas las muestras e instrumentos se colocaron sobre un panel de aislamiento al vacío con respaldo de espuma de poliestireno para limitar la transferencia de calor no radiativo. Se utilizó una estación meteorológica (modelo DC5V, YiGu Co.) para monitorear la humedad relativa ambiental y la velocidad del viento (Figura complementaria 15). Toda la configuración se muestra en la figura complementaria 17.

El poder de enfriamiento del recubrimiento AACP se determinó ingresando energía térmica, dejando que la muestra alcance la temperatura ambiente. Entonces, esta potencia calorífica podría tratarse como igual a la potencia de enfriamiento de la muestra sin considerar la transferencia de calor no radiativa. La discusión detallada se encontraba en la sección de Estimación del poder de enfriamiento radiativo. Utilizamos el método paso a paso y de seguimiento cercano para determinar la potencia de enfriamiento respectivamente. Al utilizar el método paso a paso, elegimos aumentar la potencia calorífica de manera gradual al mediodía, permitiendo que la temperatura de la muestra alcance gradualmente el estado estable en un intervalo de tiempo de 5 minutos. Luego, trazamos la diferencia de temperatura entre la muestra y el ambiente en función de la potencia calorífica, como se muestra en la figura complementaria 13. La potencia de enfriamiento fue entonces igual a la potencia calorífica cuando la diferencia de temperatura alcanzó cero. La energía térmica procedía de un calentador flexible Kapton® personalizado controlado por un SourceMeter Keithley 2400. Se utilizó el control proporcional-integral-derivado (PID) a través de LabVIEW para regular la potencia térmica en respuesta al valor de temperatura deseado de la muestra. Se conectó un termopar entre la parte posterior del vidrio revestido y el calentador para monitorear la variación de temperatura y brindar datos de retroalimentación para la precisión del control. La temperatura de la muestra, la potencia calorífica y los datos de desviación estándar correspondientes se obtuvieron durante los últimos 3 minutos de cada intervalo de tiempo después del pico transitorio inicial en la potencia calorífica. Al utilizar el método de seguimiento cercano, el calentador fue controlado por el mismo programa de control PID para permitir que la temperatura de la superficie AACP sea igual a la temperatura ambiente en un seguimiento cercano en tiempo real de 11 a. m. a 4 p. m. Luego podemos obtener la variación de la potencia de enfriamiento en un período de 5 h durante el día (Figura complementaria 14). Todos los recubrimientos para las pruebas de campo se realizaron sobre sustratos de vidrio de 5 × 5 cm.

Simulamos 3 años de efecto de suciedad natural en los revestimientos de acuerdo con la norma ASTM D7897-18, que fue desarrollada para evaluar el efecto de suciedad en la reflectancia solar y la emitancia térmica de los materiales para techos. De acuerdo con esta norma, preparamos la mezcla de suciedad artificial compuesta por cuatro agentes de suciedad, es decir, hollín, polvo, materia orgánica particulada (POM) y sales, como se muestra en la figura complementaria 16. Las fórmulas son las siguientes:

Hollín: se mezclaron 0.26 ± 0.01 g de negro de humo con 1 L de agua destilada para tener una suspensión;

Polvo: Se dispensó una mezcla de 0,3 ± 0,02 g de Fe2O3, 1,0 ± 0,05 g de montmorillonita y 1,0 ± 0,05 g de bentonita en 1 L de agua destilada para obtener una suspensión con una concentración de 2,3 ± 0,1 g/L;

POM: se mezclaron 1.4 ± 0.05 g de HAc con 1 L de agua destilada para tener una suspensión;

Sales: Una mezcla de 0,3 ± 0,03 g de NaCl, 0,3 ± 0,03 g de NaNO3 y 0,4 ± 0,03 g de CaSO4 ∙ 2H2O se disolvió en 1 L de agua destilada para obtener una solución con una concentración de 1,0 ± 0,1 g/L.

Los cuatro agentes de suciedad anteriores se mezclaron para simular materiales de suciedad naturales. La relación en peso de hollín/polvo/POM/sales fue 5/47/28/20. Esta mezcla de suciedad se vertió en un tanque de pulverización, equipado con un manómetro de aire. Luego rociamos la mezcla de suciedad de forma continua y uniforme sobre el revestimiento desde una distancia de 30 cm por encima. Los agentes de suciedad húmedos pulverizados se controlaron en 8 ± 1 mg cm-2. A continuación se secó el revestimiento sucio bajo una lámpara de calor infrarrojo. Se realizaron pasos de meteorización antes y después del procedimiento de ensuciamiento para simular la irradiación ultravioleta (UV) y el efecto de envejecimiento natural de la humedad y la lluvia. Este paso de meteorización incluyó 2 ciclos de 8 h de UV con 0,89 W m-2 a 340 nm y 60 °C, 4 h de lluvia simulada a 50 °C.

El lodo se formuló mezclando cenizas de carbón y agua. Se produjeron proporciones de peso de ceniza de carbón del 50 % y 80 % para simular lodo de baja y alta viscosidad. Goteamos el barro (1 g cm-2 por cada vez) sobre los recubrimientos para investigar el efecto de suciedad. El proceso de ensuciamiento se repitió diez veces. El efecto de limpieza se mostró en la Fig. 21 complementaria, la Tabla 1 complementaria y la Película 1 complementaria.

Se utilizaron partículas de MnO2 con diámetros que oscilaban entre cientos de nanómetros y decenas de micrones para simular la contaminación por polvo. Aproximadamente 10 mg cm-2 de partículas de MnO2 se esparcieron uniformemente sobre los recubrimientos. Se realizaron gotas de agua y viento para estudiar el efecto de limpieza, respectivamente. El ciclo de limpieza de suciedad se repitió 10 veces. El efecto de limpieza se presenta en la Figura complementaria 2, la Tabla complementaria 1 y la Película complementaria 2.

Se esparcieron uniformemente 10 mg cm-2 de arena sobre los revestimientos. Se implementó condensación de agua en los recubrimientos para estudiar el efecto de limpieza. La muestra de recubrimiento se colocó en una plataforma fría de aproximadamente 5 °C inclinada a 45 °. La temperatura ambiente era de aproximadamente 25 °C y la humedad relativa se controló como 99%. El efecto de limpieza se muestra en la figura complementaria 22.

Colocamos los recubrimientos en una cámara de intemperismo UV (HT-UV3, Haotian Testing Equipment Co.). Se utilizaron 1000 h (~42 días) de irradiancia UV con 0,89 W m-2 a 340 nm y 60 °C para experimentos de intemperismo acelerado. Esta dosis de rayos UV equivale a 1 año de exposición al sol de Florida (dosis de rayos UV anual de aproximadamente 275 MJ m-2). La exposición al sol de Florida es un punto de referencia internacional para las pruebas de durabilidad de materiales.

El recubrimiento de AACP con adhesivos se colocó en una etapa de calentamiento a aproximadamente 100 °C durante 1000 h. Las propiedades ópticas y humectantes después del calentamiento se muestran en la figura complementaria 24.

La velocidad promedio del chorro, v, se puede calcular como $v=\frac{4V}{\pi {d}^{2}\triangle t}$, donde V es el volumen de agua expulsado durante el tiempo que dura Δt y d son el diámetro de la aguja. Se lanzaron 10 ml de agua con una aguja de 2 mm de diámetro en 400 ms, con una velocidad promedio de 8 m s-1. Esta velocidad es equivalente a la velocidad de las gotas de lluvia en la tormenta (v ≈ 9 m s−1). También se utilizó un chorro de agua con mayor velocidad desde un grifo (d = 5 mm, v ≈ 10 m s-1) para probar la integridad del recubrimiento AACP, como se muestra en la Película complementaria 3.

Se aplicó cinta 3 M VHB 5925 para probar la fuerza de adhesión entre el revestimiento y el sustrato. Se hizo rodar dos veces un rodillo de 1 kg sobre la cinta para hacer que la cinta se adhiriera firmemente a la superficie del revestimiento. Luego, le quitaron la cinta. El proceso de prueba y las propiedades del recubrimiento después del despegue de la cinta se muestran en la Figura complementaria 28.

Se utilizaron arenas con un diámetro de 50 a 300 µm para caer sobre una superficie de revestimiento de 24 × 60 mm desde una altura de 30 cm. Por cada vez que cayó arena, se utilizó una masa total de arena de 20 g. La prueba de abrasión se repitió 100 veces. El proceso de prueba y las propiedades del recubrimiento después de la prueba de caída de arena se muestran en la Figura complementaria 29.

La prueba de resistencia al rayado se realizó según la norma ASTM D7027-20 (modo de prueba A). Específicamente, se aplicó un rayado sobre la superficie del revestimiento AACP bajo una carga normal de 2 N, 20 N y 50 N respectivamente, en una distancia de 0,1 m (±0,0001 m) a una velocidad de rayado constante de 0,1 m s-1 (±0,0005 m s −1). Las propiedades del recubrimiento después de la prueba de rayado se muestran en la Fig. 30 complementaria y en la Tabla 4 complementaria.

La muestra de recubrimiento estaba sobre sustratos de vidrio (22 x 60 mm) con un espesor de aproximadamente 100 µm. Las concentraciones de la corriente de alimentación de formaldehído y tolueno se controlaron ambas como 30 ppm en el flujo de gas nitrógeno. La humedad del gas se controló al 50% y el caudal total se estableció en 25 ml/min. Se colocó verticalmente una lámpara UV (300 W) sobre el reactor (0,357 L). La longitud de onda de la luz incidente se controló a 365 nm y la intensidad de la luz a 0,29 W cm-2. La lámpara se encendió después de alcanzar el equilibrio de adsorción-desorción. Las concentraciones de formaldehído, tolueno, agua y CO2 se registraron continuamente mediante un analizador multigas (DKG-42A, Duke Technology). La eficiencia de conversión de contaminantes se calculó como η (%) = (C0 − C)/C0 × 100%, donde C0 y C representan la concentración de formaldehído o tolueno en la corriente de alimentación y la concentración en tiempo real en la corriente de salida, respectivamente42 . Los resultados se muestran en la figura complementaria 31.

Se seleccionaron dos ubicaciones en China para demostrar el desempeño de durabilidad a largo plazo en exteriores de la AACP. Uno fue Chengdu (30°40'36''N, 104°6'28''E) en clima húmedo y cálido, que data del 25 de abril al 10 de noviembre de 2021. El otro fue Xi'an (34°17' 57''N, 108°58'21''E) en clima seco y cálido, del 1 de mayo al 30 de noviembre de 2021. Las muestras de recubrimiento (5 × 15 cm) se fijaron en un tablero de exhibición (80 × 120 cm) inclinado a 30° mirando al cielo. Todos los portaobjetos de recubrimiento se dividieron en tres regiones: no expuestas/(expuestas, lavadas)/(expuestas, sin lavar). Usamos papel de aluminio para envolver un tercio del portaobjetos como región "no expuesta". El “lavado” se realizó mediante enjuague con agua del grifo. Cuando finalizó la exposición al aire libre, se recuperaron las muestras para probar las propiedades ópticas y de humectación. Los resultados del envejecimiento de las muestras en Xi'an se presentaron en la figura complementaria 25.

La reflectancia solar (R̅solar) se define como la relación entre la potencia solar reflejada en el λ de 0,3–2,5 µm y la integral de la intensidad solar dentro del mismo rango de longitud de onda43:

donde Isolar(λ) es el espectro de inclinación global ASTM G173-03 AM 1.5, R(λ) es la reflectancia espectral medida de la muestra.

De manera similar, la emitancia térmica (${\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}$) se define como la relación entre la radiación térmica de la muestra energía en la ventana de transparencia atmosférica primaria del infrarrojo de onda larga (LWIR) (λ de 8 a 13 µm) a la integral de la intensidad espectral emitida por un cuerpo negro estándar dentro del mismo rango de longitud de onda:

donde $\varepsilon \left(T,\lambda \right)$ es la emitancia espectral medida de la muestra e Ibb(T, λ) es la intensidad de radiación del cuerpo negro a una temperatura de T calculada mediante la ley de Planck:

donde $\hslash$ es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío, kB es la constante de Boltzmann. En el presente trabajo, la temperatura T se establece en 298 K.

Para evaluar el rendimiento de enfriamiento de los materiales de enfriamiento radiativo, la caída de temperatura subambiente es un parámetro para sentir la capacidad de enfriamiento de manera intuitiva. Sin embargo, dado que las condiciones de la prueba, como la ubicación, la velocidad del viento y la humedad, etc., pueden variar según el caso, difícilmente se puede obtener la misma reducción de temperatura incluso para el mismo material en diferentes pruebas44. Por lo tanto, es más apropiado utilizar potencia de enfriamiento para comparar objetivamente la capacidad de enfriamiento de varios materiales.

Para estimar el poder de enfriamiento de una superficie de enfriamiento radiativo, partimos del análisis del balance de transferencia de calor en estado estacionario45. Para una superficie de enfriamiento radiativo con temperatura $T$ y temperatura ambiente Ta, la potencia de enfriamiento neta Pnet(T, Ta) se calcula como

donde Prad(T) es la potencia emitida desde la superficie, Patm(T) es la potencia absorbida de la radiación atmosférica, Psun es la potencia energética del sol y Pnrad(T, Ta) es la potencia de transferencia de calor no radiativa proveniente del entorno ambiental circundante. Intercambio de calor conductivo y/o convectivo. Para una superficie de enfriamiento radiativo con una unidad de área de 1 m2, Pnrad(T, Ta) se puede expresar además como hc(Ta – T) incorporando un coeficiente de transferencia de calor no radiativo hc (unidad de W m−2 K− 1). Como mencionamos antes, las condiciones ambientales reales podrían influir fuertemente en la hc haciéndola variar de 2 a 20 W m−2 K−1 44. Por lo tanto, para descartar este factor no controlado, podemos establecer ΔT = Ta – T = 0, así eliminando el término Pnrad(T, Ta). En la práctica, utilizamos un calentador para compensar la pérdida de calor del dispositivo de enfriamiento para que su temperatura sea igual a la ambiental. Entonces, la potencia neta de enfriamiento Pnet(T, Ta) se convierte en Pnet(Ta, Ta) y puede definirse además como Pcool(Ta), que es igual a la potencia calorífica.

Consideremos ahora un escenario ideal, es decir, el material de enfriamiento radiativo tiene un 100% de reflectancia en el espectro solar (λ de 0,3 a 2,5 µm) y un 100% de emitancia en la ventana de transparencia atmosférica primaria (λ de 8 a 13 µm). Entonces, (1 − R̅solar)Psun = 0.

donde $\varepsilon (\lambda,\theta )$ y ${\varepsilon }_{{{{{{\rm{a}}}}}}}\left(\lambda,\theta \right) $ son la emisividad espectral y angular de la superficie de enfriamiento radiativo y del aire ambiente, ta(λ, 0) es la transmitancia atmosférica en el ángulo cenital cero. En nuestra estimación, los datos de ta (λ, 0) provienen del software de modelado ATRAN. El poder de enfriamiento depende principalmente de la emitancia espectral de la superficie a través de la ventana de transparencia atmosférica primaria con λ de 8 a 13 µm. Luego obtenemos Pcool(Ta) como

Como resultado, Pcool en función de la temperatura ambiente Ta se puede representar gráficamente como se muestra en la Fig. 1a del texto principal. Vale la pena señalar que establecemos R̅solar = 1 para eliminar la energía solar absorbida en la discusión anterior. Podemos estudiar el impacto del R̅solar imperfecto simplemente reintroduciendo el término distinto de cero de (1 − R̅solar)Psun para tener la energía de enfriamiento neta Pnet(Ta):

Estimamos el ahorro de electricidad en un edificio de oficinas comerciales de tres pisos con techo de 1600 m2 para AACP y pintura blanca reflectante durante un período de 3 años. El procedimiento de simulación es similar al trabajo anterior.5 Se utilizó EnergyPlus (versión 22.1.0) para determinar el uso de electricidad con un sistema estándar de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) basado en datos meteorológicos horarios de la ciudad de Singapur (clima cálido). adquirido de los archivos de Clima Internacional para el Cálculo de Energía (IWEC). La temperatura interior del edificio se fijó en 24 °C en todo momento y el sistema HVAC funcionó de forma continua. El poder de enfriamiento de AACP se calculó de acuerdo con la ecuación. (9) con entrada de datos de temperatura ambiente, irradiancia solar y cobertura de nubes, luego restados de la carga de calor del edificio. Se utilizó un coeficiente de rendimiento (COP) de 2,8 para calcular el calor restante disipado en el edificio. La reflectancia y emitancia del techo del edificio de referencia predeterminado se fijaron en 0,3 y 0,9. Para el techo pintado de blanco, la emitancia se fijó en 0,9. La reflectancia se estableció con una tendencia decreciente de 0,87, 0,82 y 0,78 para cada año en un período de 3 años. Para AACP, la reflectancia se fijó en 0,93, 0,928 y 0,926 para cada año, y la emitancia se fijó en 0,97. Los resultados de la simulación se presentan en la figura complementaria 36. Debido al envejecimiento ambiental, el ahorro de electricidad con pintura blanca disminuye cada año de 12,2 a 8,4 kWh m-2, mientras que AACP ofrece un sólido rendimiento de ahorro de energía por encima de 50 kWh m-2. En la Tabla complementaria 5, comparamos el costo entre AACP y otras dos pinturas blancas comunes por metro cuadrado. Encontramos que el costo de AACP es comparable a los precios de los productos comerciales (~$5 m-2 vs. $4 m-2). En este caso, la diferencia de ahorro de electricidad entre AACP y la pintura blanca es de ~40 kWh m-2 durante 1 año. Suponemos que el costo de la electricidad de la red es de $0,1 kWh-1, entonces la diferencia de costo entre AACP y la pintura blanca se puede compensar en el primer año o tal vez en un período incluso más corto, lo que muestra el gran potencial de AACP para ser una solución rentable como refrigeración. techo para mitigar la demanda de energía para cargas de refrigeración pesadas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Agradecemos a B. Hu por su ayuda en la adquisición de imágenes infrarrojas. Agradecemos al USAXS Beamline BL10U1 de la SSRF (Instalación de Radiación Sincrotrón de Shanghai, China) por proporcionar el tiempo del haz. Reconocemos el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (22072014, XD), los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (ZYGX2019J119, XD), la Oficina de Ciencia y Tecnología de Chengdu (2021-GH02-00105-HZ, XD), la Programa de Ciencia y Tecnología de Shenzhen (JCYJ20210324142210027, XD) y la Fundación de Jóvenes Académicos Destacados de Sichuan (21JCQN0235, XD).

Estos autores contribuyeron igualmente: Jianing Song, Wenluan Zhang.

Instituto de Ciencias Fundamentales y de Frontera, Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, Chengdu, 610054, China

Jianing Song, Wenluan Zhang, Zhengnan Sun y Mengyao Pan

Escuela de Ingeniería de Automatización, Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, Chengdu, 611731, China

Wenluan Zhang

Instalación de Radiación Sincrotrón de Shanghai, Laboratorio Zhangjiang, Instituto de Investigación Avanzada de Shanghai, Academia China de Ciencias, Shanghai, 201204, China

Feng Tian y Xiuhong Li

Física y análisis de materiales, BASF Advanced Chemicals Co., Ltd. 333 Jiang Xin Sha Road, Pudong, Shanghai, 200137, China

Mingye

Instituto de Estudios Avanzados de Shenzhen, Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, Shenzhen, 518110, China

Xu Deng

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JS, WZ y XD concibieron la investigación y diseñaron los experimentos. JS y WZ realizaron los experimentos y analizaron los resultados. ZS ayudó en las pruebas de campo y en la producción de datos de películas. MP realizó la simulación FDTD, FT y XL ayudaron en las mediciones USAXS, MY ayudó en las mediciones mecánicas. XD y WZ supervisaron el proyecto. Todos los autores analizaron e interpretaron los datos y escribieron el artículo.

Correspondencia a Wenluan Zhang o Xu Deng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a Zhengmao Lu y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

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Song, J., Zhang, W., Sun, Z. et al. Enfriamiento radiativo duradero contra el envejecimiento ambiental. Nat Comuna 13, 4805 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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Recibido: 07 de abril de 2022

Aceptado: 29 de julio de 2022

Publicado: 16 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32409-7

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