Um novo material claro pode tornar as janelas supereficientes

O material é denominado Isolador térmico mesoporoso opticamente transparente, ou MOCHI. Pode ser fabricado como blocos grossos ou folhas finas e flexíveis que se fixam à superfície interna de janelas padrão. Atualmente, o MOCHI é produzido apenas em laboratório e ainda não está disponível para os consumidores, mas os investigadores relatam que é durável e quase totalmente transparente.

Devido à sua clareza, o MOCHI mantém uma visão desobstruída, o que o diferencia de muitos outros produtos de isolamento de janelas.

“Para bloquear a troca de calor, você pode colocar muito isolamento nas paredes, mas as janelas precisam ser transparentes”, disse Ivan Smalyukh, autor sênior do estudo e professor de física na CU Boulder. “Encontrar isoladores transparentes é realmente desafiador.”

A equipe de pesquisa publicou suas descobertas em 11 de dezembro na revista Ciência.

Por que a perda de calor da janela é importante

Edifícios de todos os tipos, desde casas a grandes torres de escritórios, representam cerca de 40% do consumo global de energia. Grande parte dessa energia é desperdiçada quando o calor escapa para o exterior durante o inverno ou entra nos edifícios durante o tempo quente.

Smalyukh e seus colaboradores esperam que o MOCHI diminua o fluxo de calor indesejado.

O novo material é um gel à base de silicone com estrutura interna complexa. Ele contém ar preso em poros extremamente finos, muito mais finos que um fio de cabelo humano. Estas bolsas microscópicas fazem do MOCHI uma excelente barreira térmica. Na verdade, uma folha de apenas 5 milímetros de espessura é suficiente para permitir que uma pessoa segure uma chama contra ela com segurança.

“Não importa quais sejam as temperaturas externas, queremos que as pessoas possam ter temperaturas confortáveis ​​dentro de casa sem ter que desperdiçar energia”, disse Smalyukh, pesquisador do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI) em CU Boulder.

Como o MOCHI controla a luz e o calor

Smalyukh descreveu a chave para o desempenho do MOCHI como suas bolsas de ar dispostas com precisão.

O novo material compartilha semelhanças com os aerogéis, que são isolantes bem conhecidos e usados ​​em muitas indústrias. (A NASA usa aerogéis dentro de seus rovers de Marte para manter os eletrônicos aquecidos). Os aerogéis também dependem de poros cheios de ar, mas esses poros são normalmente organizados em um padrão aleatório que dispersa a luz. É por isso que os aerogéis costumam parecer turvos e às vezes são chamados de “fumaça congelada”.

A equipe da CU Boulder queria um material isolante que mantivesse a clareza e ao mesmo tempo proporcionasse forte resistência térmica.

Para construir o MOCHI, os pesquisadores combinaram moléculas de surfactante com uma mistura líquida. Essas moléculas agrupam-se naturalmente em formas semelhantes a fios, um pouco como a separação que ocorre quando o óleo e o vinagre formam camadas no molho para salada. Moléculas de silicone na mesma mistura fixam-se à superfície desses minúsculos fios.

Através de várias etapas controladas, os pesquisadores removem os aglomerados de detergente e os substituem por ar. Isso deixa para trás uma estrutura de silicone em torno de uma rede de canais ultrapequenos cheios de ar. Smalyukh compara o intrincado padrão ao “pesadelo de um encanador”.

O ar é responsável por mais de 90% do volume da MOCHI.

Parando o Calor na Escala Molecular

O calor viaja através de um gás de maneira semelhante a uma reação em cadeia no estilo do bilhar. A energia faz com que as moléculas e os átomos do gás se movam mais rapidamente e colidam uns com os outros, transmitindo calor à medida que atingem.

Os poros dentro do MOCHI são tão pequenos que as moléculas do gás não podem colidir livremente. Em vez disso, eles atingem repetidamente as paredes de silicone, o que impede que o calor se espalhe facilmente pelo material.

“As moléculas não têm chance de colidir livremente umas com as outras e trocar energia”, disse Smalyukh. “Em vez disso, eles esbarram nas paredes dos poros.”

Apesar desta forte capacidade de bloqueio de calor, o MOCHI reflete apenas cerca de 0,2% da luz que entra, permitindo a passagem de quase toda a luz visível.

Usos potenciais e desenvolvimento futuro

Os pesquisadores prevêem muitas aplicações para um material transparente que retém o calor de maneira eficaz. Uma possibilidade é um dispositivo que capture o calor da luz solar e o converta em energia sustentável e de baixo custo.

“Mesmo quando o dia está um pouco nublado, você ainda pode aproveitar muita energia e usá-la para aquecer a água e o interior do edifício”, disse Smalyukh.

Por enquanto, MOCHI não está pronto para lançamento comercial. A sua produção em laboratório requer um tempo considerável, embora Smalyukh acredite que podem ser desenvolvidos métodos de fabrico mais eficientes. Os componentes utilizados para fabricar o MOCHI são de custo relativamente baixo, o que apoia o potencial a longo prazo de expansão da tecnologia.

No momento, as perspectivas para o MOCHI continuam promissoras, assim como a visão clara através de uma janela revestida com este material.

Os co-autores do estudo incluem Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Eldo Abraham e Taewoo Lee, todos pesquisadores de pós-doutorado associados no Departamento de Física da CU Boulder. Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove e Vladyslav Cherpak, ex-pesquisadores de pós-doutorado na CU Boulder, também contribuíram como coautores.