Engineering nano-clouds die van kleur, temperatuur en te slim af zijn.

Hoe blijft een wolk koel onder direct zonlicht – of lijkt het in infrarood te verdwijnen? In de natuur bieden fenomenen zoals witte cumuluswolken, grijze stormsystemen en zelfs de holle haren van ijsberen opmerkelijke lessen in het balanceren van temperatuur, kleur en onzichtbaarheid. Geïnspireerd door deze atmosferische wonderen hebben onderzoekers nu een “cloud” metasurface op nanoschaal gecreëerd die in staat is om dynamisch te schakelen tussen witte en grijze toestanden – koelen of verwarmen op vraag – allemaal terwijl ze thermische detectie ontwijken.

Het werk is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde materialen.

Er is een grote wereldwijde drang naar passief, energiezuinig thermisch beheer in bouwmaterialen, wearables, sensoren en verdedigingstoepassingen. Dit nieuw uitgevonden systeem past perfect in opkomende velden zoals stralingskoeling, adaptieve coatings en thermische verwarming en thermische camouflage onder klimaat- en beveiligingsdruk.

Net als de transformatie van heldere cumulus naar donkere cumulonimbus -wolken, gebruikt deze metasurface meerdere verstrooiing, absorptie en polarizonische reflectieprincipes om licht en warmte te moduleren. In zijn “witte” toestand wordt het zonlicht sterk terugverdist om stralingskoeling mogelijk te maken, terwijl de ‘grijze’ toestand zonlicht efficiënt absorbeert voor krachtige verwarming. Cruciaal is dat beide staten “onzichtbaar” blijven voor infraroodsensoren vanwege een lage middeninfrarood-emissiviteit-iets dat geen eerder oppervlak heeft bereikt.

“We hebben een wolk op nanoschaal op elk oppervlak ontworpen. Het kan zijn kleur en temperatuur afstemmen als een echte wolk – tussen het koelen van wit en verwarming grijs – terwijl het verborgen blijft voor thermische camera’s,” legt professor Mady Elbahri van Aalto University uit.

Zowel witte als grijze metasurfaces overwinnen beperkingen van traditionele coatings

Typische witte verven koele oppervlakken door zonlicht in alle richtingen te verstrooien, maar ze gloeien nog steeds in warmtebeeld. Dit nieuwe materiaal werkt meer als een wolk – koelen door zonlicht terug te stuiteren en verborgen te blijven voor hittesensoren.

Conventionele witte coatings (bijv. Titaniumdioxide, op TIO₂ gebaseerde) verspreiding van zonlicht diffuus, maar zijn alleen effectief in schaduwrijke omstandigheden of ’s nachts. Hun hoge emissiviteit in het bereik van 8-13 μm maakt ze helder in thermische infraroodbeeldvorming, beperkend gebruik in thermische stealth.

“Dit nieuwe witte plasmonische metasurface verstrooit zonlicht door ongeordende metalen nanostructuren, terwijl de thermische emissie wordt geminimaliseerd – oppervlakken in vol zonlicht koelen en thermisch gecamoufleerd blijven. Deze functie maakt de innovatie baanbrekend”, zegt Adel Assad, een Ph.D. student in de groep.

Zwarte materialen worden heet in de zon, maar verlichten ook thermische camera’s terwijl ze infrarood sterk uitzenden.

“Dit grijze oppervlak wordt heter dan zwart-maar zonder warmte te verzenden die door warmtesensoren kan worden gezien. Dit kan een game-wisselaar zijn voor slim textiel, bouwmaterialen en camouflage”, zegt Moheb Abdelaziz, een postdoctorale onderzoeker in de groep.

Grote potentieel groeit uit een bescheiden begin

Het onderzoek opent nieuwe paden in adaptieve oppervlakte -engineering. Potentiële toepassingen omvatten nul-energiebouwgevels die schakelen tussen verwarming en koeling naar slim textiel die de lichaamstemperatuur reguleren zonder elektronica. De ontdekking biedt ook kansen in lage zichtbaarheidssensoren en apparaten voor verdediging en surveillance.

De volgende stap voor het onderzoek is om dynamische coatings te verkennen met behulp van elektrochrome of fase-veranderende lagen voor realtime, door de gebruiker gecontroleerde schakelen tussen staten.

De onderzoekers zijn trots dat de opmerkelijke bevindingen zijn gekomen ondanks een eerste afwijzing van het project.

“Zonder toegewijde financiering na eerste tegenslagen, vertrouwden we op gedeelde visie en samenwerking – vooral met onze partners in Duitsland – om twijfel in ontdekking te maken. Het is het bewijs dat wetenschap, zoals wolken, kan stijgen tegen de kans”, zegt Elbahri.