Material Science

En la mayoría de los edificios, las ventanas siguen siendo la parte más vulnerable de la estructura cuando se trata de pérdida de energía. A nivel mundial, los edificios representan aproximadamente el 40% del consumo total de energía, gran parte de la cual se gasta en mantener espacios interiores confortables. Una parte importante de esa energía se escapa a través de paredes, techos y, especialmente, ventanas. Aunque las ventanas a menudo cubren solo alrededor del 8% del exterior de un edificio, pueden representar casi la mitad del calor que entra y sale. En los hogares modernos con grandes superficies acristaladas, esa fracción puede aumentar considerablemente.

Los ingenieros han buscado durante mucho tiempo materiales que aíslen tan bien como las paredes, pero que sigan siendo transparentes como el vidrio. Existen opciones como el vidrio con aislamiento al vacío o los aerogeles transparentes, pero cada uno tiene sus inconvenientes. Estos materiales pueden ser costosos, difíciles de fabricar a gran escala o propensos a la turbidez a medida que aumenta su grosor. Una vez que los aerogeles superan los pocos milímetros de grosor, dispersan la luz y pierden claridad, lo que limita su utilidad para ventanas.

El desafío radica en la estructura. Muchos materiales aislantes se basan en atrapar aire, pero si los poros internos varían demasiado en tamaño, dispersan la luz y permiten el paso del calor. Para que funcione bien, un aislante de ventana ideal necesita poros más pequeños que la luz visible y más pequeños que la distancia que recorren las moléculas de aire antes de chocar. En condiciones ambientales, esa distancia es de alrededor de 60 nanómetros.

Un enfoque transparente al “aire congelado”

Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder creen haber encontrado una solución. Físicos allí han desarrollado un nuevo material aislante transparente conocido como Aislante Térmico Ópticamente Claro Mesoporoso, o MOCHI. El material se comporta como una versión altamente controlada de aire congelado, atrapando el calor mientras permanece casi invisible.

MOCHI consiste en una red de nanotubos de silicona huecos dispuestos en un patrón altamente uniforme. El aire constituye más del 90% de su volumen, pero el marco sólido mantiene esos bolsillos de aire estables y espaciados uniformemente. Al limitar el material sólido a solo un 5% al 15%, el equipo logró tanto un bajo flujo de calor como una alta transparencia.

Las pruebas mostraron que las láminas delgadas de MOCHI transmiten más del 99% de la luz visible, con casi ninguna neblina. El vidrio de ventana ordinario suele transmitir menos del 92%. Al mismo tiempo, MOCHI conduce el calor a menos de la mitad de la velocidad del aire inmóvil. Según Ivan Smalyukh, autor principal del estudio y profesor de física en CU Boulder, ese equilibrio ha sido esquivo.

“Para bloquear el intercambio de calor, puede poner mucho aislamiento en sus paredes, pero las ventanas deben ser transparentes”, dijo Smalyukh. “Encontrar aislantes que sean transparentes es realmente un desafío”.

El equipo publicó sus hallazgos en la revista Science.

De muestras de laboratorio a paneles a escala de ventana

Uno de los aspectos más prometedores de MOCHI es su escalabilidad. Los investigadores produjeron películas y losas de un metro cuadrado y varios centímetros de grosor sin sacrificar la claridad ni el aislamiento. Estas losas se pueden colocar dentro de unidades de vidrio aislante, o IGUs, con un grosor similar al de las ventanas de doble vidrio estándar.

Cuando se utilizan de esta manera, las ventanas rellenas de MOCHI alcanzaron niveles de aislamiento comparables o mejores que los de las paredes bien aisladas. Incluso las capas delgadas adheridas al interior de las ventanas de vidrio simple mejoraron significativamente el rendimiento, acercándolas a los estándares de doble vidrio. La imagen infrarroja reveló mucha menos fuga de calor en comparación con las ventanas convencionales.

MOCHI también ayuda con la comodidad diaria. Al bloquear la radiación térmica, reduce la condensación y amortigua el sonido. En las pruebas, las ventanas MOCHI redujeron el ruido hasta en 35 decibelios a ciertas frecuencias, superando a los vidrios dobles estándar.

El proceso de fabricación se basa en el autoensamblaje controlado. Los investigadores mezclan precursores de silicona con moléculas tensioactivas que forman naturalmente hilos diminutos en solución. La silicona recubre estos hilos y, en pasos posteriores, el tensioactivo se reemplaza con aire. El resultado es un laberinto denso de tubos microscópicos llenos de aire. Smalyukh compara la estructura con una “pesadilla de fontanero”, pero una que funciona maravillosamente para el aislamiento.

Cómo se comportan la luz y el calor dentro de MOCHI

Bajo un microscopio, MOCHI se ve muy diferente a los aerogeles tradicionales. En lugar de grupos de partículas con espacios aleatorios, forma una red ordenada de poros uniformes. Esta estructura permite que la luz pase a través con una dispersión mínima. Su índice de refracción es cercano al del aire, lo que significa que poca luz se refleja en su superficie.

Debido a que los poros son más pequeños que el camino que recorren las moléculas de aire, la transferencia de calor se ralentiza drásticamente. Las moléculas de gas chocan con las paredes de los poros en lugar de entre sí, lo que limita el intercambio de energía. El marco de silicona en sí también resiste el flujo de calor.

En losas más gruesas, MOCHI absorbe y reemite radiación infrarroja térmica, lo que reduce aún más la pérdida de calor. Combinados, estos efectos hacen que el material sea una barrera eficaz contra el frío y el calor, al tiempo que permanece casi invisible.

El material también muestra efectos ópticos leves debido a la alineación parcial de sus nanotubos. Si bien no son críticos para las ventanas, estas propiedades podrían ser útiles en futuros dispositivos ópticos. Para el uso diario, MOCHI mantiene una excelente precisión del color, lo que significa que las vistas al aire libre se ven naturales.

Transformar la luz solar en calor útil

Más allá del aislamiento, MOCHI puede ayudar a los edificios a generar energía. El material deja pasar la luz visible y el infrarrojo cercano, al tiempo que atrapa la radiación de calor de longitud de onda más larga. Cuando se combina con un absorbedor oscuro, MOCHI permite que entre la luz solar, pero retiene gran parte del calor en su interior.

Los experimentos mostraron que los absorbedores cubiertos con MOCHI alcanzaron temperaturas cercanas a los 300 grados Celsius bajo la luz solar regular. Incluso en días nublados, el sistema continuó recolectando calor utilizable. Las simulaciones sugieren que cubrir una parte del exterior de una casa con tales paneles podría satisfacer las necesidades de calefacción, y las instalaciones más grandes podrían generar energía excedente.

“Las pruebas de durabilidad indican que los productos basados en MOCHI pueden durar al menos 20 años, similar a los IGUs convencionales. Las muestras adheridas a las superficies interiores de las ventanas sobrevivieron aproximadamente cinco años en condiciones reales, incluido el polvo, la lluvia ácida y la exposición a productos químicos, sin perder sus propiedades clave. El material es mecánicamente robusto, se puede enrollar en películas delgadas, cortarse con láser en formas complejas y permanece superhidrofóbico, ignífugo e impermeable”, dijo Smalyukh a The Brighter Side of News.

Implicaciones prácticas de la investigación

MOCHI podría cambiar la forma en que los edificios gestionan la energía. Al convertir las ventanas en aislantes de alto rendimiento, los arquitectos podrían usar más vidrio sin sacrificar la eficiencia. Los hogares y las oficinas podrían reducir la demanda de calefacción y refrigeración, lo que reduciría las facturas de energía y las emisiones. La durabilidad del material sugiere que podría durar décadas en condiciones del mundo real.

Más allá de los edificios, MOCHI puede encontrar uso en invernaderos, ropa protectora y sistemas térmicos solares. Su combinación de claridad y aislamiento abre posibilidades donde tanto la visibilidad como el control de la temperatura son importantes. Con un mayor desarrollo, la misma estructura podría admitir la purificación del aire o el control solar adaptativo.

“Por ahora, MOCHI seguirá siendo un producto de laboratorio. Los ingredientes siguen siendo relativamente económicos y todavía tenemos trabajo que hacer para mejorar nuestro proceso de fabricación”, compartió Smalyukh con The Brighter Side of News.

Si eso sucede, las ventanas podrían dejar de perder energía y comenzar a ayudar a generarla.

Los hallazgos de la investigación están disponibles en línea en la revista Science.

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