Métafibre résistante inspirée par la nature avec des structures photoniques hiérarchiques pour une gestion thermique radiative passive durable

Contexte académique

Avec l’intensification du changement climatique global, la consommation énergétique des bâtiments, en particulier celle des systèmes de climatisation, continue d’augmenter. Selon les statistiques, la climatisation des bâtiments représente environ 10 % de la consommation annuelle mondiale d’électricité, un chiffre qui ne cesse de croître avec l’augmentation des émissions de carbone, aggravant ainsi le cycle vicieux du réchauffement climatique. Les technologies de gestion thermique radiative passive, en particulier la technologie de refroidissement par modulation sélective du spectre, sont considérées comme une solution potentielle à ce problème. Cette technologie permet de moduler automatiquement la température sans apport d’énergie supplémentaire ni pollution environnementale, en dispersant la lumière solaire (0,3-2,5 μm) et en émettant de la chaleur par la fenêtre atmosphérique (8-14 μm) vers l’espace extra-atmosphérique (environ 3 K).

Cependant, les matériaux de refroidissement radiant existants, tels que le verre, les blocs, les films et les revêtements, souffrent généralement de problèmes de flexibilité et de perméabilité à l’air, limitant leur application à des surfaces d’objets spécifiques. Les matériaux à base de fibres, en raison de leur excellente flexibilité et malléabilité, sont largement utilisés dans divers scénarios. Néanmoins, les matériaux fibreux actuels présentent des lacunes significatives en termes de résistance mécanique et de durabilité, en particulier dans les applications de refroidissement extérieur, où la combinaison d’une haute réflectivité solaire et d’une résistance mécanique reste un défi majeur.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Xiaoyan Li, Zhiguang Guo et d’autres chercheurs, issus de l’Université de Donghua (Donghua University), de l’Université du Sichuan (Sichuan University) et de l’Université de Chicago (University of Chicago), entre autres institutions. L’article a été publié en 2025 dans la revue Advanced Fiber Materials, sous le titre Bio-Inspired Tough Metafiber with Hierarchical Photonic Structures for Durable Passive Radiative Thermal Management.

Processus et résultats de la recherche

1. Conception de l’étude et fabrication des fibres

Inspirés par les fibres naturelles de soie, les chercheurs ont conçu une fibre biomimétique (PMABF) dotée d’une structure photonique hiérarchisée. Les fibres de soie sont connues pour leur structure morphologique hiérarchisée unique, offrant des propriétés optiques et mécaniques exceptionnelles. Les chercheurs ont développé une métafibre résistante similaire à la soie en construisant une structure multi-échelle d’agrégats de nanofibres et en utilisant l’ingénierie moléculaire des interfaces.

Le processus de fabrication comprend les étapes suivantes : 1. Préparation du gel de nanofibres d’aramide (ANFs) : Les fibres Kevlar 1000D ont été coupées, lavées et séchées, puis mélangées à du diméthylsulfoxyde (DMSO), de l’hydroxyde de potassium (KOH) et de l’eau déionisée, et agitées pendant 24 heures pour former un gel d’ANFs. 2. Formation des fibres : Le gel d’ANFs a été injecté dans des aiguilles de différentes formes (comme des aiguilles en forme de soie et circulaires) et laissé reposer à température ambiante pendant 24 heures pour former des fibres gélifiées d’ANFs. 3. Ingénierie moléculaire des interfaces : Les fibres gélifiées d’ANFs ont été immergées dans une solution de méthyltriméthoxysilane (MTMS), et une solution d’acide acétique a été ajoutée pour provoquer une hydrolyse et une condensation in situ, formant ainsi un réseau de nanofibres. 4. Lyophilisation : Par échange de solvant et lyophilisation, les fibres PMABF dotées d’une structure photonique hiérarchisée ont finalement été produites.

2. Tests des propriétés optiques et mécaniques

Les chercheurs ont testé les propriétés optiques et mécaniques des fibres PMABF à travers une série d’expériences : - Propriétés optiques : Les tissus PMABF ont montré une émissivité dans l’infrarouge moyen (MIR) de 98,6 % et une réflectivité de 86,7 % dans le spectre solaire. Cette haute réflectivité est attribuée à leur structure photonique ellipsoïdale, caractérisée par des microparticules/nanoparticules de surface et de nombreux vides internes. - Propriétés mécaniques : Grâce à l’ingénierie moléculaire des interfaces, la résistance à la traction des fibres PMABF a augmenté de 125 %, et la contrainte de compression a augmenté de 261,5 %. Les forces d’interaction moléculaire ont efficacement dispersé les contraintes externes, renforçant ainsi la résistance mécanique des fibres. - Stabilité thermique et hydrophobie : Les fibres PMABF ont montré une excellente stabilité thermique et une hydrophobie remarquable, conservant leur structure et leurs performances même dans des environnements extrêmes.

3. Tests d’application pratique

Les chercheurs ont appliqué les fibres PMABF aux toits et aux murs extérieurs des bâtiments pour simuler leur performance en gestion thermique. En utilisant le logiciel EnergyPlus, ils ont calculé que l’installation de PMABF réduisait considérablement la consommation énergétique annuelle des bâtiments dans 11 conditions climatiques différentes, avec une réduction maximale de 85,7 %. De plus, les fibres PMABF ont été utilisées pour fabriquer des tissus à double mode, en déposant un film d’argent sur un côté des fibres par la technique de revêtement par évaporation sous vide (HVREC), permettant ainsi de basculer entre les modes de refroidissement et de chauffage.

Conclusion et signification

Cette recherche a permis de développer avec succès une métafibre résistante dotée d’une structure photonique hiérarchisée grâce à une conception biomimétique, offrant des propriétés optiques et mécaniques exceptionnelles adaptées au refroidissement radiant passif. Les fibres PMABF présentent non seulement une haute réflectivité solaire et une émissivité MIR, mais aussi une résistance mécanique, une stabilité thermique et une hydrophobie remarquables, offrant ainsi de nouvelles solutions pour la gestion énergétique des bâtiments et la protection thermique dans des environnements extrêmes.

Points forts de la recherche

1. Conception biomimétique : En imitant la structure hiérarchisée des fibres de soie, les chercheurs ont développé avec succès une fibre biomimétique aux propriétés optiques et mécaniques exceptionnelles.
2. Ingénierie moléculaire des interfaces : Grâce à la régulation moléculaire des interfaces, les chercheurs ont amélioré la résistance mécanique et les propriétés optiques des fibres, réalisant ainsi un effet synergique de structure hiérarchisée.
3. Applications pratiques : L’application des fibres PMABF dans la gestion thermique des bâtiments et les tissus à double mode démontre leur potentiel considérable en matière d’économie d’énergie et de gestion thermique.

Autres informations utiles

La recherche a également montré le potentiel des fibres PMABF dans les applications de camouflage thermique et d’électrothermie, élargissant ainsi leurs scénarios d’application. En utilisant la technique de revêtement par évaporation sous vide, les chercheurs ont réussi à produire des fibres avec un film d’argent conducteur, ouvrant de nouvelles possibilités pour le camouflage infrarouge et la régulation électrothermique.

Cette recherche offre non seulement de nouvelles perspectives pour la conception des matériaux fibreux, mais fournit également des solutions pratiques pour la gestion énergétique des bâtiments et la protection thermique dans des environnements extrêmes, ce qui représente une valeur scientifique et applicative significative.