Anisotrope Bijels voor Stralingskoeling

Het koelen van gebouwen vereist een grote hoeveelheid energie, iets wat de komende tijd steeds erger zal worden door het opwarmende klimaat [1]. Passieve stralingskoeling van gebouwen kan gerealiseerd worden door de optische eigenschappen van de muren en het dak te optimaliseren. Als een oppervlak meer energie uitzend (door middel van infrarood licht) dan dat het energie absorbeert uit het zonlicht, zal het zichzelf afkoelen [2]. In de natuur vinden we een erg reflectief oppervlak in het chitine schild van bepaalde bladsprietkevers, bijvoorbeeld de Lepidiota stigma kever zoals afgebeeld in de figuur [3]. Deze hoge reflectantie is het resultaat van de specifieke anisotropie van de ogenschijnlijk ongeorganiseerde chitine filamenten waaruit het schild bestaat. Computationele studies hebben laten zien dat deze anisotropie voor sterkere reflectantie zorgt onafhankelijk van de exacte topologie van de structuur [4].

In onze groep bestuderen we een andere in zichzelf verweven structuur, namelijk de structuur die vormt tijdens een spinodale ontleding (En. spinodal decomposition). Deze structuur wordt kinetisch geblokkeerd door de absorptie van nanodeeltjes aan het grensvlak. We noemen deze structuur een bijel (En. bicontinuous interfacially jammed emulsion gel) [5,6]. Hoewel deze structuren typisch isotroop zijn, is het recent gelukt om de gemiddelde domeingrootte te verkleinen tot honderden nanometers [7]. Hierdoor heeft het materiaal een correlatielengte die vergelijkbaar is met de golflengte van zichtbaar licht.

In dit project proberen we experimentele bevestiging van de invloed van anisotropie op de reflectantie te vinden, met als doel een passief koelend materiaal te maken. Hiervoor maken we anisotrope bijel structuren welke correlatielengtes hebben in de orde van grootte van de golflengte van zichtbaar licht. Om dit te bereiken, overwegen we twee strategieën: ofwel de structuur nabewerken door hem uit te rekken, ofwel de dynamiek van de spinodale ontleding te beinvloeden door gebruik te maken van anisotrope nanodeeltjes. We hebben als doel om, met behulp van deze methoden, controle te verkrijgen over de vorm van de domeinen in de bijel, en dus ook over de anisotropie. Door het karakteriseren van de structuur en optische respons van deze bijels kunnen we vervolgens de correlatielengtes en anisotropie van de structuur correleren met de totale reflectantie.

Figuur 1: De inspiratie voor het project. Van links naar rechts, de witte bladsprietkever Lepidiota stigma, zijn schild onder een rasterelektronenmicroscoop en een anisotrope bijel die licht reflecteert. De rasterelektronenmicroscoop toont de ongeordende en anisotrope structuur van de chitinefilamenten in het schild van de kever. Deze structuur is vergelijkbaar met de uitgerekte bijelstructuur die rechts wordt weergegeven. Het licht wordt meerdere keren verstrooit door de structuur, zodat ook als de brekingsindex slechts weinig verschild een hoge reflectantie wordt bereikt. Foto van de witte bladsprietkever en rasterelektronenmicroscoopfoto van het schild gereproduceerd uit referentie [3].

Referenties

1. Geen auteur (2018), “The Future of Cooling,” Technology report, IEA, Paris. URL https://www.iea.org/reports/the-future-of-cooling
2. S. Catalanotti, V. Cuomo, G. Piro, D. Ruggi, V. Silvestrini, and G. Troise (1975), “The radiative cooling of selective surfaces,” Solar Energy, 17(2):83–89, ISSN 0038092X, doi:10.1016/0038-092X(75)90062-6. URL https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0038092X75900626
3. M. Burresi, L. Cortese, L. Pattelli, M. Kolle, P. Vukusic, D. S. Wiersma, U. Steiner, and S. Vignolini (2014), “Bright-White Beetle Scales Optimise Multiple Scattering of Light,” Scientific Reports, 4(1):6075, ISSN 2045-2322, doi:10.1038/srep06075. URL https://www.nature.com/articles/srep06075
4. J. S. Haataja, G. Jacucci, L. Schertel, and S. Vignolini (2021), “Topological invariance in whiteness optimisation,” arXiv, doi:10.48550/arXiv.2107.00922. URL http://arxiv.org/abs/2107.00922
5. E. M. Herzig, K. A. White, A. B. Schofield, W. C. K. Poon, and P. S. Clegg (2007), “Bicontinuous emulsions stabilized solely by colloidal particles,” Nature Materials, 6(12):966–971, ISSN 1476-1122, 1476-4660, doi:10.1038/nmat2055. URL https://www.nature.com/articles/nmat2055
6. M. F. Haase, K. J. Stebe, and D. Lee (2015), “Continuous Fabrication of Hierarchical and Asymmetric Bijel Microparticles, Fibers, and Membranes by Solvent Transfer-Induced Phase Separation (STRIPS),” Advanced Materials, 27(44):7065–7071, ISSN 09359648, doi:10.1002/adma.201503509. URL https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503509
7. M. A. Khan, A. J. Sprockel, K. A. Macmillan, M. T. Alting, S. P. Kharal, S. Boakye-Ansah, and M. F. Haase (2022), “Nanostructured, Fluid-Bicontinuous Gels for Continuous-Flow Liquid–Liquid Extraction,” Advanced Materials, 34(18):2109547, ISSN 0935-9648, 1521-4095, doi:10.1002/adma.202109547.URL https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109547