Кожа кальмара вдохновила учёных на новые «жидкие окна» для экономии энергии

Кальмары и некоторые другие моллюски могут быстро менять окраску благодаря уникальной структуре кожи. Инженеры из Университета Торонто черпали вдохновение в биологии, чтобы создать прототип «жидких окон».

Изобретение изменяет длину волны, интенсивность и распределение света, проходящего через окна, тем самым существенно экономя затраты на электроэнергию. Результаты исследования опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Рафаэль Кей, соавтор исследования, отметил, что здания потребляют много энергии для обогрева, охлаждения и освещения помещений. Если получится контролировать количество, тип и направление солнечной энергии, поступающей в дома, то можно значительно сократить использование обогревателей, вентиляции и светильников.

Кей любит думать о зданиях как о живых организмах, у которых тоже есть «кожа», то есть внешний слой фасадов и окон. Но установка жалюзи — примитивный способ снижения нагрузки на системы освещения и отопления / охлаждения. Электрохроматические окна, которые меняют свою прозрачность при подаче напряжения, уже более сложный вариант. Но такие системы стоят дорого и у них ограниченный диапазон непрозрачности. Невозможно также затенить одну часть электрохроматического оконного стекла, не прикрыв другую.

Поэтому учёные обратились за вдохновением к природе. В прошлом году инженеры из Торонто создали систему с массивами оптико-жидкостных ячеек. Пример подала, например, тилапия — эта рыба может рассеивать и собирать пигментные гранулы в коже, изменяя окраску и её оттенок. Прототипы ячеек состояли из тонкого слоя минерального масла между двумя прозрачными листами пластика. Введение небольшого количества воды с красителем через трубку, подсоединённую к центру ячейки, запускает изменения. Форма пятен зависит от скорости потока, которую можно регулировать с помощью цифрового насоса. Низкая скорость потока создаёт круглые пятна, более высокие скорости потока — сложные ветвящиеся узоры.

Кожа кальмара полупрозрачна и имеет внешний слой пигментных клеток, называемых хроматофорами, которые контролируют поглощение света. Каждый хроматофор прикреплён к мышечным волокнам, которые выстилают поверхность кожи, а эти волокна, в свою очередь, соединены с нервами. Достаточно просто стимулировать нервы электричеством, заставляя мышцы сокращаться. А поскольку мышцы тянутся в разных направлениях, клетка расширяется вместе с пигментированными участками, изменяя цвет. Когда клетка сжимается, то же самое происходит и с пигментированными участками.

Под хроматофорами находится отдельный слой иридофоров. В отличие от хроматофоров, иридофоры не основаны на пигменте, а являются примером структурного цвета, похожего на чешуйки в крыльях бабочки, за исключением того, что иридофоры кальмара являются переменчивыми, а не статичными. Они могут быть настроены для отражения света с разной длиной волны. Два слоя работают вместе, создавая уникальные оптические свойства кожи кальмара.

Скорость, с которой кальмар может изменять свой цвет, впечатляет. Кей и его коллеги подумали, что структура кожи кальмара может быть ключом к созданию динамичных, настраиваемых фасадов зданий.


— Рафаэль Кей, соавтор исследования.

В итоге Рафаэль Кей с коллегами сконструировали прототип микрофлюидической системы из листов пластика с множеством тонких каналов для перекачки жидкостей. Добавление специальных пигментов или частиц в жидкость изменяет длину волны света, а также направление, в котором этот свет распространяется. Эти листы можно комбинировать в многослойные комплекты, при этом каждый будет выполнять различные оптические функции: фильтровать длину волны, регулировать рассеивание проходящего в помещение света и менять интенсивность — всё это контролируется небольшим насосом с цифровым управлением.

По словам Кея, этот простой и недорогой подход может позволить создавать «жидкие динамические фасады зданий» с настраиваемыми оптическими свойствами для экономии энергии, то на отопление, то на охлаждение, а также на освещение.

Хотя созданный прототип — это пока лишь доказательство концепции, команда учёных провела компьютерное моделирование вероятной производительности системы в качестве динамичного фасада здания, реагирующего на изменение погоды. Их модели показали, что один слой, контролирующий пропускание ближнего инфракрасного света, приведёт к экономии в 25%. Добавление второго слоя, контролирующего пропускание видимого света, может обеспечить экономию энергии почти в 50%.