外が暑い時は、暗い色のシャツではなく白いシャツを着ましょう。これは常識です。パデュー大学の研究チームは、この常識を応用し、世界で最も白い塗料を使って建物、飛行機、さらには車を冷やす方法を発見しました。
白い塗料を使って熱を反射するという発想は新しいものではありません。1970年代には既に、科学者やメーカーは太陽光を反射して建物などの表面を冷却するために、より白い塗料の開発に取り組んでいました。しかし、現在市販されている最も白い塗料は光の90%を反射します。これは高い数字に聞こえますが、それでも太陽光の10%を吸収するため、周囲温度よりも低い温度まで表面を冷却することはできません。
2014年、スタンフォード大学の研究グループは、無機化合物の反射面層を用いて太陽光を反射し、日中に表面を周囲温度よりも低く冷却する方法に関する論文を発表しました。このプロセスは効果的ではあるものの、コストが高く、大規模化には至りませんでした。パデュー大学の工学教授であるXiulin Ruan氏は、スタンフォード大学の研究に触発され、塗料、特に気候変動対策におけるナノテクノロジーのさらなる実用化について考え始めました。
「最も白い塗料の開発など、真剣に考えていたわけではありません」とルアン氏は語る。「私は土木技師と研究者の経歴があるので、熱は気になります。そこで、スケーラブルなナノテクノロジーを使って、塗料を見直して冷却効果を実現できないかと考え始めたんです」
2023年のギズモード・サイエンスフェアで優勝したルアン氏と彼のチームは、二酸化チタンを使用した既存の市販塗料の最適化を試みることから始めましたが、二酸化チタンが紫外線を吸収することに気づきました。「これが根本的に性能を制限してしまうのです」とルアン氏は言います。チームは、紫外線を吸収しない様々な化合物を含む白色塗料の配合を実験し、粒子サイズと粒子濃度を調整することで、より高い反射率を実現しました。
「私たちは何年もかけて定式化とシミュレーションを行い、その秘訣を解明するのに多くのポスドクや博士課程の学生の協力を得ました」とルアン氏は語る。「この究極の性能を実現するには、あらゆる要素を組み合わせ、極限まで追い込む必要がありました。」
最終的に、ルアンのチームは、様々な大きさの硫酸バリウム粒子を高濃度に配合した塗料を開発しました。この塗料は太陽光の95%を反射することができました。この効果は非常に高く、彼らはすぐに自身の記録を塗り替え、2021年には太陽光の98.1%を反射する塗料を開発しました。これは現在、地球上で最も白い塗料です。
2021年の成功を受けて、ルアン氏は航空宇宙産業などの業界関係者から、この塗料を自社製品の冷却にどのように活用できるかという問い合わせを受けるようになった。「彼らは2つの質問をしてきました。『これをもっと薄くできますか？』と『これをもっと軽くできますか？』です」と彼は語る。
硫酸バリウム塗料は反射率が非常に高いものの、効果を発揮するには少なくとも0.4ミリメートルの厚さの塗膜が必要です。これは、製品の軽量化を追求する業界では現実的ではありません。また、この塗料は粘度が低すぎます。硫酸バリウム塗料は最大限の効果を得るためにゲル状に配合されているため、建物や構造物以外の表面に塗布するのは困難です。
「ペイントを塗ったり、スプレーしたり、ブラシで塗ったりできるようにするのは簡単ではありません」とルアン氏は言う。
彼は、フォトニクスとデジタル印刷のバックグラウンドを持つパデュー大学の同僚ジョージ・チウ、および2人の博士課程学生、アンドレア・フェリセリとイオアナ・カツァンバに協力を依頼し、化合物がもたらす余分な負担をかけずに硫酸バリウムの光反射特性を維持する方法を考え出しました。
「硫酸バリウムは反射特性があり、塗料を室温より低い温度に保つことができます」と、生物に着想を得たナノ複合材料の研究に取り組んでいるフェリチェリ氏は述べた。「しかし、塗料の重量にも大きく影響します。」
彼らは塗料の新しい配合に使用する様々な材料を検討し始めました。最終的に、主に潤滑油に使用される無機化合物である六方晶窒化ホウ素に落ち着きました。粒子の形状が太陽光の反射にどのように役立つかについては、これまであまり文献がありませんでした。そこでカツァンバ氏は、窒化ホウ素が塗料の反射率を高める仕組みをモデル化するという課題に取り組みました。これはこれまでほとんど取り上げられていなかったテーマです。窒化ホウ素はナノプレートレットと呼ばれる独特の形状をしており、他の化合物に含まれる球状粒子よりも効果的に太陽光を反射することが証明されました。
「シミュレーションでは、硫酸バリウムとは異なる窒化ホウ素の特性だけでなく、その形状も、現在私たちが実現している高い反射率の実現に本当に役立っていることが示されています」とカツァンバ氏は語った。
モデルによって太陽光の反射に優れていることが示された化合物を決定した後でも、塗料自体の製造は依然として課題でした。特に、窒化ホウ素の形態により、一部の塗料は厚くなり、粘性が低くなるため、課題はさらに大きくなりました。
「粒子を塗料混合物に完全に混合させるのに、確かにいくつか問題がありました」とフェリチェリ氏は語った。「しかし、時間をかけて、様々な処理技術を解決できました。そして、一般的な市販の白塗料と非常によく似た仕上がりを実現できました。」
窒化ホウ素を使用したこの塗料は、硫酸バリウムを使用した最初の配合とほぼ同等の効果を発揮し、太陽光を最大97.9%反射します。さらに、わずか0.15mmの層で効果を発揮し、多量の空気を含む多孔質構造のおかげで、硫酸バリウム塗料よりも80%軽量です。
この超白色塗料は現在購入できませんが、ルアン氏によると、チームはメーカーと協議を進め、製品としての開発・販売を開始したとのことです。この塗料は、汚れに強く、市販の白色塗料と同様に紫外線下で長持ちすることを確認するための改良・試験も行われています。将来的には、様々な色の反射塗料や、季節に応じて反射と吸収を切り替える塗料の開発にも興味があるとルアン氏は語ります。例えば、温水や冷水を注ぐと色が変わる、建物サイズのドリンクウェアのような塗料です。
「今のところ、この塗料は冷却用なので、暑い気候には最適です」と彼は述べた。「しかし、例えばインディアナ州では、冬には暖房が必要です。夏に最も白い塗料を、太陽光を吸収する色に切り替えられるようになれば素晴らしいでしょう。費用対効果を高め、拡張性を持たせるのは容易ではありません。現在調査中で、詳細をすべて明らかにすることはできませんが、自然から学ぶことで、こうした技術を実現する方法を理解する助けになるでしょう。」
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