Zespół polskich i zagranicznych naukowców, kierowany przez dr hab. Michała Borysiewicza z  Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, rozpoczął interdyscyplinarne badania nad nowym typem cienkowarstwowych powłok grzewczych i chłodzących inspirowanych strukturami skrzydeł motyli.

Powłoka z nanoporowatego tlenku metalu. Fot. Łukasiewicz – IMiF

Inspiracją  jest przyroda, a dokładniej motyle – o ekstremalnie czarnym ubarwieniu oraz bardzo jasne, niemal białe. Ich niezwykłe kolory nie są efektem pigmentu, lecz mikrostruktur – specjalnych wzorów na ich skrzydłach. Te struktury odpowiadają za ich zdolność do silnej absorpcji (w przypadku bardzo czarnych) lub silnego odbijania światła słonecznego (w przypadku bardzo białych), co jest kluczowe dla efektywnej regulacji temperatury ciała tych zwierząt.

Synergia nauk – od fizyki po zoologię

Projekt realizowany jest przez interdyscyplinarne konsorcjum, które łączy ekspertów z różnych dziedzin:

• naukowców zajmujących się nanomateriałami i termoelektryką z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki,
• fizyków z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, specjalizujących się w charakteryzacji struktur,
• zoologów owadów z Centrum Edukacji Przyrodniczej Uniwersytetu Jagiellońskiego,
• ekspertów od modelowania optycznego z Uniwersytetu w Chicago i Karlsruhe Institut of Technology.

Dr hab. Michał Borysiewicz, kierownik projektu z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki. Źródło: Łukasiewicz – IMiF

– Udało mi się zaprosić do współpracy naprawdę interdyscyplinarny zespół wysokiej klasy specjalistów. Myślę, że razem zrobimy coś fantastycznego – ciekawego naukowo, a jednocześnie bardzo bliskiego praktycznemu zastosowaniu. Mamy świetnych zoologów owadów z UJ pod kierownictwem prof. Tomasza Pyrcza, fizyków z grupy prof. Mariusza Zdrojka oraz współpracowników spoza Polski: w Chicago jest grupa prof. Dakoty McCoy – specjalistki od badania czarno ubarwionych motyli, pająków, ptaków i mięczaków, a w Karlsruhe grupa prof. Hendrika Hölschera – specjalizująca się w biomimetycznych strukturach. Bardzo się cieszę z tego, że otrzymałem już drugi grant Opus z Narodowego Centrum Nauki, dzięki dofinansowaniu możemy realizować tak fascynujące i potrzebne badania – mówi dr hab. Michał Borysiewicz, kierownik projektu z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, wskazując na kluczową rolę interdyscyplinarnej współpracy i zaangażowania badaczy w powodzenie przedsięwzięcia.

Energetyczny potencjał technologii

Głównym celem projektu jest znalezienie związków pomiędzy strukturą a właściwościami termicznymi bioinspirowanych nieorganicznych bardzo czarnych i bardzo białych cienkowarstwowych materiałów, w odniesieniu do ich naturalnych odpowiedników występujących u owadów. Dla badaczy będzie to punkt wyjścia do opracowania cienkowarstwowych, bioinspirowanych powłok:

• pochłaniających światło – jak skrzydła czarnych motyli, idealne do pasywnego ogrzewania,
• odbijających światło – jak pancerze białych owadów, skutecznie wspomagające chłodzenie.

Opracowywane powłoki mogą w przyszłości pokrywać elementy budynków lub urządzeń i częściowo zastępować systemy klimatyzacyjne czy grzewcze o wysokim zużyciu energii – a wszystko bez potrzeby zasilania zewnętrznego. Zastosowanie bioinspirowanych powłok może prowadzić do istotnych oszczędności energii w budynkach, które odpowiadają za około 40% całkowitego zużycia energii w Unii Europejskiej. Wprowadzenie pasywnych technologii ogrzewania/chłodzenia, chociażby w budynkach użyteczności publicznej, takich jak szkoły czy szpitale – mogłoby przełożyć się na realne korzyści finansowe i dla środowiska.

Od motyla do laboratorium

Naukowcy planują wytworzyć nowe materiały na drodze magnetronowego rozpylania katodowego, aby w taki sposób uzyskać struktury analogiczne do tych występujących u owadów – o takich samych właściwościach optycznych i termicznych. Magnetronowe rozpylanie katodowe to nowoczesna technika, w której do wnętrza specjalnej komory wprowadza się gaz (np. argon), w komorze umieszcza się materiał, z którego chcemy uzyskać powłokę. W wyniku działania pola magnetycznego i napięcia, jony gazu „uderzają” w ten materiał, z jego powierzchni „wybijane” są atomy, które osadzają się na powierzchni powlekanej, tworząc bardzo cienką, jednorodną warstwę.

Następnie zostaną przeprowadzone pomiary odbicia światła i dzięki tym danym eksperymentalnym, uzupełnionymi o dane teoretyczne, możliwe będzie określenie własności struktur. Na koniec zostaną przygotowane moduły termoelektryczne, które zostaną pokryte opracowanymi warstwami i poddawane działaniu promieniowania słonecznego, aby jakościowo i ilościowo określić czy opracowane powłoki pochłaniają i odbijają ciepło słoneczne.

Wśród realizatorów projektu po stronie Łukasiewicz – IMiF znalazła się również młoda naukowczyni Patrycja Barańczyk. Fot: Łukasiewicz – IMiF

Źródło: materiały prasowe