Слой белой краски с карбонатом кальция охладил поверхность на 10 градусов
Ученые изготовили белую краску с наполнителем из микрометровых частиц карбоната кальция и пронаблюдали за поведением покрытия из такого вещества под лучами солнца. Оказалось, что краска отражает около 95,5 процента падающей энергии излучения и позволяет поверхности становиться на 1,7 градуса Цельсия холоднее окружающей среды в дневное время и до 10 градусов — в ночное. По словам авторов, если дальнейшие испытания подтвердят пригодность вещества для длительного использования в разных погодных условиях, краску можно будет применять для пассивного охлаждения зданий и наружных электрических систем. Исследование опубликовано в Cell Reports Physical Science.
Предметы кажутся белыми, если они равномерно и почти без потерь отражают падающую энергию излучения всех длин волн видимого диапазона. Такое свойство белого цвета делает его полезным для систем пассивного охлаждения: чтобы сократить энергопотребление кондиционеров, поверхности зданий окрашивают в светлые тона — в результате часть энергии света отражается в виде теплового излучения, и нагрев ослабевает.
Кроме того, кондиционеры просто отводят тепло из здания и, таким образом, повышают температуру окружающей среды, в то время как тепловое излучение ведет себя иначе. Длина волны тепловых фотонов, несущих основную часть всей испускаемой энергии, лежит вблизи определенного значения, которое задается температурой излучающего тела. Для типичных температур в условиях Земли это значение длины волны, как правило, лежит в инфракрасной области и попадает в окно прозрачности атмосферы (8–13 мкм) — диапазон длин волн, в котором фотоны распространяются в атмосфере практически без поглощения, а значит почти не нагревают воздух вокруг излучающего тела.
Ученые из Китая и США под руководством Сюлинь Жуань (Xiulin Ruan) из Университета Пёрдью изготовили и протестировали белую акриловую краску, 60 процентов объема которой было заполнено частицами карбоната кальция (CaCO3) со средней длиной около 1,7 микрометра и средним диаметром примерно 0,5 микрометра. При этом разброс размеров частиц составил около 20 процентов — согласно предсказаниям симуляций, такая неоднородность вещества позволяет эффективно рассеивать излучение различных длин волн солнечного спектра и за счет этого повышать долю отраженной энергии.
Чтобы изучить свойства вещества, авторы изготовили высушенный слой краски сантиметровой площади и толщиной около 0,4 миллиметра и поместили его в теплоизолирующую оболочку с прозрачным покрытием. Готовый образец исследователи расположили на открытом пространстве и на протяжении двух дней одновременно измеряли интенсивность падающего излучения пиранометром, а также температуру образца и окружающей среды при помощи термопар.
Даже при максимальном достигнутом уровне интенсивности освещения (около 963 ватт на квадратный метр) поверхность краски была холоднее окружающей среды примерно на 1,7 градуса Цельсия, а в ночное время этот показатель достигал отметки в 10 градусов Цельсия. При этом образец отражал примерно 95,5 процента падающей на него солнечной энергии — это не рекордный показатель, однако существенно превосходит типичные значения для белых красок массового производства (80–90 процентов).
Кроме того, ученые сравнили свойства своей краски со свойствами обычной, изготовив образец постоянной толщины, на котором краской с добавлением CaCO
нарисовали «P» на фоне стандартной краски почти того же цвета. В видимом диапазоне символ был практически неразличим, однако в инфракрасном спектре изображение получалось гораздо более контрастным за счет разности температур порядка двух градусов Цельсия.
Авторы подчеркивают, что несмотря на простоту изготовления и эффективные оптические свойства, перед практическим внедрением краски необходимо дальнейшее исследование ее свойств. На результаты измерений могут критически повлиять погодные условия, а с точки зрения применения материала важна его долговечность — и то, и другое еще предстоит проверить.
Ранее мы рассказывали о том, как британская компания разработала краску для волос, способную менять цвет в зависимости от температуры, и о том, как американский химик изобрел стеклянную краску для металлических поверхностей, которая предохраняет их от перегрева и коррозии.
Николай Мартыненко
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.