O material é chamado de Isolante Térmico Ópticamente Claro Mesoporoso, ou MOCHI. Ele pode ser fabricado como blocos grossos ou folhas finas e flexíveis que se fixam à superfície interna de janelas padrão. Atualmente, MOCHI é produzido apenas em laboratório e ainda não está disponível para consumidores, mas os pesquisadores relatam que é durável e quase completamente transparente.

Devido à sua clareza, o MOCHI mantém uma vista desobstruída, o que o diferencia de muitos outros produtos de isolamento para janelas.

“Para bloquear a troca de calor, você pode colocar muito isolamento nas paredes, mas janelas precisam ser transparentes”, disse Ivan Smalyukh, autor principal do estudo e professor de física na CU Boulder. “Encontrar isolantes que sejam transparentes é realmente desafiador.”

A equipe de pesquisa publicou suas descobertas em 11 de dezembro na revista Science.

Por Que a Perda de Calor nas Janelas Importa

Os edifícios de todos os tipos, desde casas até grandes torres de escritórios, representam cerca de 40% do consumo global de energia. Grande parte dessa energia é desperdiçada à medida que o calor escapa para o exterior durante o inverno ou entra nos edifícios durante o calor do verão.

Smalyukh e seus colaboradores esperam que o MOCHI desacelere esse fluxo indesejado de calor.

O novo material é um gel à base de silicone com uma estrutura interna complexa. Ele contém ar preso em poros extremamente finos que são muito mais finos do que um fio de cabelo humano. Esses bolsões microscópicos fazem do MOCHI uma excelente barreira térmica. De fato, uma folha de apenas 5 milímetros de espessura é suficiente para permitir que uma pessoa segure com segurança uma chama contra ela.

“Não importa quais sejam as temperaturas do lado de fora, queremos que as pessoas possam ter temperaturas confortáveis dentro de casa sem desperdiçar energia”, disse Smalyukh, um pesquisador do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI) da CU Boulder.

Como o MOCHI Controla Luz e Calor

Smalyukh descreveu a chave para o desempenho do MOCHI como seus poros de ar dispostos de maneira precisa.

O novo material possui semelhanças com aerogéis, que são isolantes bem conhecidos usados em muitas indústrias. (A NASA usa aerogéis dentro de seus rovers em Marte para manter os eletrônicos quentes). Os aerogéis também dependem de poros preenchidos com ar, mas esses poros estão tipicamente dispostos de forma aleatória, fazendo com que a luz se disperse. É por isso que os aerogéis costumam parecer nublados e às vezes são referidos como “fumaça congelada”.

A equipe da CU Boulder queria um material isolante que mantivesse a clareza enquanto proporcionava uma forte resistência térmica.

Para construir o MOCHI, os pesquisadores combinaram moléculas de surfactantes com uma mistura líquida. Essas moléculas naturalmente se agrupam em formas semelhantes a fios, um pouco como a separação que ocorre quando óleo e vinagre formam camadas em um molho para salada. Moléculas de silicone na mesma mistura se ligam à superfície desses pequenos fios.

Através de várias etapas controladas, os pesquisadores então removem os aglomerados de detergente e os substituem por ar. Isso deixa para trás uma estrutura de silicone envolvendo uma rede de canais ultra-pequenos preenchidos com ar. Smalyukh compara o padrão intrincado a um “pesadelo para encanadores”.

O ar representa mais de 90% do volume do MOCHI.

Impedindo Calor em Escala Molecular

O calor viaja através de um gás de forma semelhante a uma reação em cadeia estilo bilhar. A energia faz com que as moléculas e átomos do gás se movimentem mais rápido e colidam uns com os outros, passando o calor à medida que se chocam.

Os poros dentro do MOCHI são tão pequenos que as moléculas de gás não podem colidir livremente. Em vez disso, elas batem repetidamente nas paredes de silicone, o que impede que o calor se espalhe facilmente pelo material.

“As moléculas não têm a chance de colidir livremente umas com as outras e trocar energia”, disse Smalyukh. “Em vez disso, elas colidem com as paredes dos poros.”

Apesar dessa forte capacidade de bloqueio de calor, o MOCHI reflete apenas cerca de 0,2% da luz que entra, permitindo que quase toda a luz visível passe.

Usos Potenciais e Desenvolvimento Futuro

Os pesquisadores envisionam muitas aplicações para um material claro que efetivamente aprisiona calor. Uma possibilidade é um dispositivo que captura o calor da luz solar e o converte em energia sustentável e de baixo custo.

“Mesmo em um dia um pouco nublado, você ainda poderia aproveitar muita energia e usá-la para aquecer sua água e o interior do seu edifício”, disse Smalyukh.

Por enquanto, o MOCHI não está pronto para lançamento comercial. Sua produção em laboratório requer um tempo considerável, embora Smalyukh acredite que métodos de fabricação mais eficientes possam ser desenvolvidos. Os componentes usados para fabricar o MOCHI são relativamente de baixo custo, o que apoia o potencial de escalonamento da tecnologia a longo prazo.

Por enquanto, as perspectivas para o MOCHI permanecem promissoras, assim como a vista clara através de uma janela revestida com esse material.

Os co-autores do estudo incluem Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Eldo Abraham e Taewoo Lee, todos associados de pós-doutorado no Departamento de Física da CU Boulder. Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove e Vladyslav Cherpak, antigos pesquisadores de pós-doutorado na CU Boulder, também contribuíram como co-autores.