Microesferes de sílice autoensamblades per refredar superfícies sense consumir energia

11/11/2019

La refrigeració és un tema central de les societats actuals. Sigui en un supermercat o en un ordinador personal, la regulació de la temperatura és necessària per mantenir els humans còmodes o les màquines funcionant amb fiabilitat. Els sistemes de refrigeració són responsables del 15% del consum global d’energia i del 10% de les emissions de gasos d’efecte hivernacle. Es podria dir que el remei és pitjor que la malaltia, ja que els gasos d’efecte hivernacle generen escalfament global, requerint encara més refrigeració.

Una manera de sortir d’aquest bucle ha estat desenvolupada per investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). Membres del Grup ICN2 de Nanoestructures Fonòniques i Fotòniques, liderat per la Prof. ICREA Dra. Clivia M. Sotomayor Torres, en col·laboració amb el Grup ICMM de Cristalls Fotònics han descrit un nou material bidimensional capaç d’eliminar calor, refredant la superfície en la qual es col·loca sense cap consum d’energia ni emissions de gasos de cap mena. El treball s’ha publicat a Small, amb la Dra. Juliana Jaramillo-Fernández, investigadora postdoctoral Marie Slodowska-Curie COFUND a l’ICN2, com a primera autora.

El material s’inspira en l’eficient mecanisme de regulació de temperatura de la Terra, anomenat refredament radiatiu. Malgrat la Terra s’escalfa pel Sol, també emet radiació infraroja a l’espai exterior, ja que aquest tipus de radiació no és capturat per l’atmosfera. Els grans de sorra dels deserts es troben entre els principals responsables d’aquest fenomen, que manté estable la temperatura mitjana del nostre planeta sempre i quan no considerem l’acció humana.

El material proposat es basa en el mateix principi. Els investigadors han demostrat que és capaç de refredar en fins a 14ºC una oblea de silici sota la llum directa del Sol, mentre que un vidre comú només en baixa la temperatura 5 ºC. El material està format per una matriu autoensamblada d’esferes de sílice de 8 µm de diàmetre, com grans de sorra un milió de vegades més petits en volum. Aquesta capa es comporta pràcticament com un emissor ideal d’infraroig, proporcionant una potència de refredament radiatiu de fins a 350 W/m2 per a una superfície calenta, com un panell solar.

Per posar-ho en context, això podria eliminar la meitat de la calor acumulada en un panell solar típic en un dia clar, la qual cosa seria suficient per a incrementar l’eficiència relativa d’una cel·la solar en un 8%. Considerant la producció global d’energia solar del 2017, aquest augment d’eficiència representa suficient energia com per alimentar la ciutat de París durant un any sencer.

Els investigadors han revelat el potencial de refredament radiatiu dels cristalls autoensamblats, demostrant que només és necessària una única capa de microesferes per aconseguir el rendiment òptim. Aquest fet és de gran interès per a la seva futura aplicabilitat i producció. El nou material és sis vegades més prim que els materials de refredament radiatiu actuals i evita l’ús de plàstics.

El potencial impacte d’aquest tipus de tecnologies no ha passat desapercebut. La Dra. Juliana Jaramillo, el Dr. Achille Francone i el Dr. Nikolaos Kehagias, de l’esmentat grup ICN2, també han desenvolupat un altre material que és fàcilment escalable i és capaç de proporcionar tant refredament radiatiu com autoneteja. The Collider, un programa de transferència tecnològica promogut pel Mobile World Capital Barcelona que connecta la recerca científica amb la iniciativa emprenedora, ha guardonat aquest projecte amb The Collider Tech Award 2019. El premi incentiva el desenvolupament futur d’aquesta línia de recerca en materials de refredament radiatiu. Una patent europea que protegeix els drets de propietat intel·lectual d’aquesta tecnologia va ser registrada el 31 de juliol de 2019 per l’ICN2 i ICREA.

A part de l’ús en panells solars, altres aplicacions possibles inclouen la refrigeració de mòduls termoelèctrics —dispositius que converteixen diferències de temperatura en corrents elèctrics—, refredar sistemes informàtics de centres de processament de dades o fins i tot finestres intel·ligents que es refrescarien a si mateixes i al seu entorn, estalviant despeses en aire condicionat.

Article de referència:

Juliana Jaramillo‐Fernandez, Guy L. Whitworth, Jose Angel Pariente, Alvaro Blanco, Pedro D. Garcia, Cefe Lopez, Clivia M. Sotomayor‐Torres. A Self‐Assembled 2D Thermofunctional Material for Radiative Cooling. Small, 2019; 1905290. https://doi.org/10.1002/smll.201905290

Sobre l’ICN2

L'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) es dedica al desenvolupament de coneixement, materials i dispositius en els amplis camps de la salut, l'energia, el medi ambient i les tecnologies informàtiques i de les comunicacions. La seva experiència rau en la nanoescala, on noves propietats i interaccions, així com formes d'explotar-les en la vida quotidiana, es descobreixen constantment. Entre els seus objectius es troba reunir a personal científic amb competències diverses en la recerca d'una millor ciència, una millor formació i un major impacte en la societat, alhora que explora noves formes d'interactuar amb la indústria local i global.

L'institut va ser acreditat com a Centre d'Excel·lència Severo Ochoa el 2014 i el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades va renovar aquest guardó el 2018. Entre els seus patrons es troben la Generalitat de Catalunya, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), on se situa l'institut. L’ICN2 és un centre CERCA i també un dels membres fundadors del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST) i del Graphene Flagship europeu.