Le peuplier (Populus alba) possède une stratégie de survie unique : lorsqu’il est exposé à des conditions chaudes et sèches, il enroule ses feuilles pour exposer la surface ventrale, réfléchissant la lumière du soleil, et la nuit, l’humidité condensée à la surface de la feuille libère de la chaleur latente pour prévenir les dommages dus au gel. Les plantes ont développé des mécanismes aussi complexes en réponse aux fluctuations environnementales dynamiques des cycles de température diurnes et saisonniers, de l’intensité lumineuse et de l’humidité, mais il y a eu peu d’exemples de réalisation d’un système de gestion thermique aussi sophistiqué avec des matériaux artificiels.
Grâce à cette recherche, l’équipe de recherche du KAIST a développé un matériau artificiel qui imite la stratégie de gestion thermique de la feuille de peuplier, augmentant considérablement l’applicabilité de la technologie de gestion thermique autorégulée sans électricité dans des applications telles que les façades de bâtiments, les toits et les abris temporaires.
Le KAIST a annoncé le 18 novembre que l’équipe de recherche dirigée par le professeur Young Min Song de l’École de génie électrique, en collaboration avec l’équipe du professeur Dae-Hyeong Kim de l’Université nationale de Séoul, a développé un ‘thermostat latent-radiatif (LRT)’ flexible à base d’hydrogel qui imite la stratégie naturelle de régulation thermique de la feuille de peuplier.
Le LRT développé par l’équipe de recherche est un régulateur thermique bio-inspiré qui commute automatiquement entre les modes de refroidissement et de chauffage. Cette technologie est une nouvelle technique de gestion thermique qui peut réaliser simultanément la régulation de la chaleur latente par l’évaporation et la condensation de l’eau, et la régulation thermique radiative en utilisant la réflexion et la transmission de la lumière, le tout dans un seul dispositif.
Le matériau fonctionnel principal est un composite qui intègre des ions lithium (Li+) et de l’hydroxypropylcellulose (HPC) dans un hydrogel de polyacrylamide (PAAm). Li+ maintient la chaleur en condensant et en absorbant l’humidité pour réguler la chaleur latente, et l’HPC change entre des états transparent et opaque selon les variations de température, régulant la réflexion et l’absorption de la lumière du soleil pour commuter entre les modes de refroidissement et de chauffage.
Lorsque la température augmente, les molécules d’HPC s’agrègent, ce qui rend l’hydrogel opaque, réfléchissant la lumière du soleil et renforçant l’effet de refroidissement naturel. Le LRT résultant commute automatiquement entre quatre modes de gestion thermique en fonction de la température ambiante, de l’humidité et de la lumière du soleil.
▶ Dans les environnements nocturnes/froids en dessous de la température du point de rosée, il maintient la chaleur en absorbant et en condensant l’humidité de l’air et en libérant de la chaleur.
▶ Les jours froids avec un ensoleillement faible, il transmet la lumière du soleil et l’humidité absorbée absorbe le rayonnement infrarouge proche pour produire un effet de chauffage.
▶ Dans des conditions chaudes et sèches, l’humidité interne s’évapore, résultant en un refroidissement par évaporation puissant.
▶ Sous un fort ensoleillement et des conditions de haute température, l’HPC devient opaque pour réfléchir la lumière du soleil, et simultanément, le refroidissement par évaporation fonctionne pour abaisser la température. C’est-à-dire qu’il s’agit d’un dispositif de gestion thermique bio-inspiré qui commute automatiquement entre les modes de refroidissement et de chauffage en fonction de l’environnement sans nécessiter d’électricité.
Grâce à cette recherche, le LRT a démontré la performance de rester plus frais en été et plus chaud en hiver. L’équipe de recherche a confirmé que les propriétés de régulation thermique peuvent être finement ajustées à diverses conditions climatiques en ajustant les concentrations de Li+ et d’HPC, et la durabilité et la résistance mécanique du matériau ont été significativement améliorées en ajoutant des nanoparticules de TiO2. Dans des expériences en extérieur, le LRT a maintenu des températures jusqu’à 3,7 °C inférieures en été et jusqu’à 3,5 °C supérieures en hiver par rapport aux matériaux de refroidissement conventionnels. De plus, une simulation couvrant 7 zones climatiques (normes ASHRAE) a montré une économie d’énergie annuelle allant jusqu’à 153 MJ/m2 par rapport aux revêtements de toit existants. Cette étude est un cas de mise en œuvre technique des stratégies de gestion thermique sophistiquées observées dans la nature. Il est anticipé qu’elle servira de plateforme de gestion thermique de nouvelle génération pour des environnements où le refroidissement et le chauffage basés sur l’électricité sont difficiles, tels que les façades de bâtiments, les toits et les abris temporaires.
Dans une déclaration, le professeur Young Min Song a indiqué : « Cette recherche est significative car elle a reproduit techniquement la stratégie intelligente de régulation thermique de la nature, présentant un dispositif de gestion thermique qui s’auto-adapte aux changements saisonniers et climatiques. Elle peut être étendue en une plateforme de gestion thermique intelligente applicable à divers environnements à l’avenir. »
Cette étude a été co-premièrement rédigée par le candidat au doctorat Hyung Rae Kim (École de génie électrique, KAIST). Le professeur Young Min Song (École de génie électrique, KAIST) a participé en tant qu’auteur correspondant. La recherche a été publiée en ligne le 4 novembre dans Advanced Materials (IF 26.8), une revue de premier plan mondial dans le domaine de la science des matériaux.
Article : Hydrogel Thermostat Inspired by Photoprotective Foliage Using Latent and Radiative Heat Contro – Journal : Advanced Materials – Méthode : Meta-analysis – Sujet : Not applicable – DOI : 10.1002/adma.202516537
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