Wie weiß kann weiße Farbe werden?

Es ist gesunder Menschenverstand: Wenn es draußen heiß ist, ziehen Sie kein dunkles Hemd an – tragen Sie stattdessen ein weißes. Ein Forscherteam der Purdue University hat dieses allgemeine Wissen genutzt, um Wege zu finden coole Gebäude, Flugzeuge und sogar Autos mit den weißesten Farben der Welt.

Das Konzept der Verwendung von weißer Farbe zur Wärmeableitung ist nicht neu. Bereits in den 1970er Jahren hatten Wissenschaftler und Hersteller immer weißere Farben entwickelt, um das Sonnenlicht zu reflektieren und Gebäude und andere Oberflächen kühl zu halten. Die weißesten Farben, die heute auf dem Markt erhältlich sind, reflektieren jedoch 90 % des Lichts – eine Zahl, die hoch klingt, aber bedeutet, dass sie immer noch 10 % des Sonnenlichts absorbieren und daher eine Oberfläche nicht unter die Umgebungstemperatur kühlen können.

2014 eine Gruppe aus Stanford hat eine Arbeit geschrieben bei der Verwendung von Schichten aus reflektierenden Oberflächen aus anorganischen Verbindungen, um Sonnenlicht zu reflektieren und Oberflächen tagsüber unter die Umgebungstemperatur zu kühlen, ein Prozess, der zwar effektiv, aber teuer und nicht skalierbar war. Der Ingenieurprofessor der Purdue University, Xiulin Ruan, begann sich, inspiriert von der Stanford-Arbeit, Gedanken über die weiteren praktischen Anwendungen der Nanotechnologie bei der Arbeit mit Farben zu machen, insbesondere zur Bekämpfung des Klimawandels.

„Wir haben nicht wirklich darüber nachgedacht, das zu entwickeln am weißesten malen“, sagte Ruan. „Ich bin Bauingenieur und Forscher, daher ist mir diese Hitze wichtig. Ich begann mich zu fragen, ob wir die skalierbare Nanotechnologie haben können … also können wir die Herstellung von Farben überdenken [cooling] arbeiten?”

Ruan und sein Team, Gewinner des 2023 Gizmodo Wissenschaftsmesse, begannen mit dem Versuch, eine bereits vorhandene kommerzielle Farbe zu optimieren, die Titandioxid verwendete, stellten jedoch fest, dass Titandioxid UV-Licht absorbiert. „Das schränkt die Leistung grundlegend ein“, sagte Ruan. Sein Team begann mit verschiedenen Formulierungen weißer Farbe zu experimentieren, die verschiedene Verbindungen enthielten, die kein UV-Licht absorbieren, und spielte mit Partikelgröße und Partikelkonzentration, um ein immer höheres Reflexionsvermögen zu erreichen.

„Wir haben viele Jahre damit verbracht, Formulierungen und Simulationen durchzuführen, und es brauchte viele Postdocs und Doktoranden, um die Tricks herauszufinden“, sagte Ruan. „Wir mussten wirklich alle Faktoren kombinieren und auf die Spitze treiben, um diese extreme Leistung zu erzielen.“

Schließlich entwickelte Ruans Team eine Farbe, die hohe Konzentrationen von Bariumsulfatpartikeln unterschiedlicher Größe verwendete und 95 % des Sonnenlichts reflektieren konnte. Es war so effektiv, dass sie ihren eigenen Rekord schnell übertrafen und 2021 eine Farbe entwickelten, die 98,1 % des Sonnenlichts reflektiert. Es ist derzeit die weißeste Farbe der Welt.

Nach dem Erfolg im Jahr 2021 erhielt Ruan Anfragen von Menschen aus Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, die daran interessiert waren, wie die Farbe zur Kühlung ihrer Produkte verwendet werden könnte. „Sie haben uns zwei Fragen gestellt: Können Sie das dünner und leichter machen?“ er sagte.

Die Bariumsulfatfarbe ist zwar extrem reflektierend, erfordert aber eine mindestens 0,4 Millimeter dicke Schicht, um wirksam zu sein – ein Nichtstarter in Industrien, die ihre Produkte so leicht wie möglich machen wollen. Die Farbe war auch nicht sehr viskos: Die Bariumsulfatfarbe wurde für maximale Wirksamkeit als Gel formuliert, was das Auftragen auf Oberflächen erschwert, die keine Gebäude oder Strukturen sind.

„Es ist nicht einfach, Farbe streich-, sprüh- oder streichfähig zu machen“, sagt Ruan.

Er wandte sich an seinen Purdue-Kollegen George Chiu, der einen Hintergrund in Photonik und Digitaldruck hat, sowie an zwei Doktoranden, Andrea Felicelli und Ioanna Katsamba, um einen Weg zu finden, die lichtreflektierenden Eigenschaften von Bariumsulfat ohne zusätzliches Gepäck beizubehalten die Verbindung fügt hinzu.

„Bariumsulfat hat reflektierende Eigenschaften, die es uns ermöglichen, unter der Umgebungstemperatur zu bleiben“, sagte Felicelli, dessen Forschung sich auf bioinspirierte Nanokomposite konzentriert. „Aber es trägt auch viel zum Gewicht der Farbe bei.“

Sie begannen, nach verschiedenen Materialien zu suchen, die in einer neuen Formulierung der Farbe verwendet werden sollten. Sie entschieden sich schließlich für hexagonales Bornitrid, eine anorganische Verbindung, die hauptsächlich in Schmiermitteln verwendet wird. Es war nicht viel Literatur darüber geschrieben worden, wie die Partikelform dazu beiträgt, das Sonnenlicht zu reflektieren, und Katsamba wurde beauftragt, zu modellieren, wie Bornitrid dazu beiträgt, die Farbe zu reflektieren – ein Thema, das zuvor nicht wirklich angesprochen worden war. Bornitrid hat eine einzigartige Morphologie, die als Nanoplättchen bezeichnet wird und nachweislich dazu beiträgt, Sonnenlicht effektiver abzuwehren als kugelförmige Partikel in anderen Verbindungen.

„Die Simulationen zeigen, dass es nicht nur die Eigenschaften von Bornitrid sind, die sich von Bariumsulfat unterscheiden, sondern auch die Form, die wirklich dazu beiträgt, das höhere Reflexionsvermögen zu erreichen, das wir jetzt haben“, sagte Katsamba.

Selbst nachdem ich mich für eine Verbindung entschieden hatte, von der Modelle zeigten, dass sie Sonnenlicht hervorragend reflektieren würde, war die Herstellung der Farbe selbst immer noch eine Herausforderung – insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Morphologie von Bornitrid einige der Farben dicker und weniger viskos machte.

„Wir hatten definitiv einige Probleme, die Partikel vollständig in die Farbmischung einzuarbeiten“, sagte Felicelli. „Aber im Laufe der Zeit konnten wir diese unterschiedlichen Verarbeitungstechniken lösen. Und wir konnten eine Anwendung erzielen, die Ihrer handelsüblichen weißen Farbe sehr ähnlich war.“

Die resultierende Farbe mit Bornitrid ist fast so effektiv wie die erste Formulierung mit Bariumsulfat: Sie kann bis zu 97,9 % des Sonnenlichts reflektieren. Außerdem benötigt sie nur 0,15 Millimeter dicke Schicht, um zu wirken, und wiegt dank der porösen Struktur der Mischung, die viel Luft einschließt, 80 % weniger als die Bariumsulfatfarbe.

Während Sie diese ultraweiße Farbe im Moment nicht kaufen können, sagte Ruan, das Team sei in Gesprächen mit Herstellern, um den Prozess der Entwicklung und des Verkaufs als Produkt zu beginnen. Die Farbe wird außerdem perfektioniert und getestet, um sicherzustellen, dass sie Schmutz widersteht und unter UV-Licht so lange hält wie handelsübliche weiße Farben. Später, sagte Ruan, interessiert er sich auch für die Herstellung von reflektierender Farbe in verschiedenen Farben sowie von Farben, die je nach Jahreszeit von reflektierend zu absorbierend wechseln können – wie eine gebäudegroße Version von Trinkgefäßen, die ihre Farbe ändern, wenn man sie heiß eingießt oder kaltes Wasser hinein.

“Im Moment dient die Farbe zum Kühlen, also ist sie großartig für heiße Klimazonen”, sagte er. „Aber in Indiana zum Beispiel brauchen wir im Winter Wärme. Es wäre toll, wenn Sie im Sommer von der weißesten Farbe auf eine Farbe wechseln könnten, die Sonnenlicht absorbieren kann. Das ist eine Herausforderung, um es kostengünstig und skalierbar zu machen. Wir untersuchen, und wir können jetzt nicht alle Details offenlegen, aber wir können von der Natur lernen, um zu verstehen, wie wir diese Art von Technologien möglich machen können.“

Weiterlesen: Die weißeste Farbe der Welt ist buchstäblich die coolste