Schiuma Janus doppia per la gestione termica direzionale

Perché modellare il flusso di calore è importante

Dalla conservazione del comfort negli edifici alla cattura del calore di scarto nelle fabbriche, gestire la temperatura in modo efficiente è centrale per il nostro futuro energetico. Eppure la maggior parte dei materiali lascia il calore diffondersi in tutte le direzioni. Questo studio presenta un nuovo tipo di schiuma leggera che permette al calore di passare molto più facilmente in una direzione che nell'altra, un po’ come un diodo elettrico per il calore. Combinando un controllo intelligente della luce solare con una conduzione termica unidirezionale, il materiale può contribuire ad attenuare le escursioni termiche giornaliere e a recuperare energia termica altrimenti sprecata.

Una schiuma con due facce molto diverse

I ricercatori hanno realizzato il materiale come una schiuma “Janus”, ispirata al dio romano dalle due facce. Un lato della schiuma è scuro e assorbe intensamente la luce solare, trasformando la radiazione in calore. L’altro lato è chiaro e riflette la maggior parte della luce, restando molto più freddo. All’interno, la schiuma è piena di pori, ma i due strati presentano dimensioni dei pori diverse e ingredienti leggermente differenti. Questo design duale è stato ottenuto usando particelle “Janus” appositamente realizzate, con affinità sia per l’olio sia per l’acqua, che hanno permesso di creare emulsioni liquide stratificate che solidificano in una spugna rigida a due strati.

Convertire la luce in calore unidirezionale

Aggiungere una piccola quantità di riempitivo nero a base di carbonio a un solo strato modifica drasticamente il comportamento della schiuma sotto la luce solare. Il lato scuro, ricco di riempitivo, assorbe la maggior parte dell’energia solare incidente e si riscalda rapidamente, mentre il lato opposto riflette la maggior parte della luce e rimane relativamente freddo. Le misure mostrano che nella versione più estrema una faccia della schiuma riflette solo pochi percento della luce solare mentre l’altra ne riflette quasi il novanta percento. Di conseguenza, lo stesso pezzo di schiuma può comportarsi ora come un riscaldatore solare o come una schermatura solare, a seconda di quale faccia sia rivolta verso il cielo.

Guidare il calore come una strada a senso unico

Oltre all’interazione con la luce, la schiuma conduce anche il calore in modo asimmetrico. Poiché i due strati hanno strutture di pori diverse — e poiché solo uno degli strati è caricatto con un riempitivo termicamente conduttivo — il calore viaggia più rapidamente quando entra dal lato ad alta conduttività e a pori piccoli rispetto a quando arriva dalla direzione opposta. Esperimenti con un piccolo riscaldatore e un sensore inseriti tra due pezzi di schiuma mostrano che il flusso termico efficace nella direzione “facile” è più del doppio rispetto a quello nella direzione “difficile”, un effetto di rettificazione molto marcato per un materiale solido e massiccio.

Dai campioni di laboratorio agli ambienti reali

Per verificare come si manifesta questo doppio comportamento nella pratica, il team ha esposto pannelli di schiuma a luce solare simulata e ha monitorato le temperature sia sul lato esposto al sole sia su quello in ombra. Quando la faccia scura e assorbente era rivolta verso l’alto, il lato inferiore — a rappresentare un oggetto protetto — diventava visibilmente più caldo rispetto a quando la faccia riflettente era rivolta verso l’alto. Rispetto a un progetto più semplice a singolo strato, la schiuma Janus doppia ha amplificato la differenza di temperatura tra le due direzioni di oltre venti volte. I ricercatori hanno poi ingrandito la schiuma fino a pannelli di decine di centimetri e li hanno posizionati su piccoli modelli di casa all’aperto. In condizioni soleggiate, nuvolose e persino nebbiose o piovose, le case coperte dalla schiuma nell’orientamento “riscaldante” sono rimaste costantemente più calde all’interno rispetto a quelle con la schiuma capovolta, beneficiando al contempo delle proprietà isolanti generali del materiale.

Cosa significa per l’uso energetico quotidiano

In termini semplici, la schiuma Janus doppia si comporta come una superficie sottile e flessibile che può decidere quando accogliere il calore e quando bloccarlo — e lo fa in modo più efficace in una direzione rispetto all’altra. Combinando una forte assorbimento della luce solare su una faccia con un flusso termico unidirezionale attraverso il suo interno, il materiale può trasformare le escursioni termiche naturali, come il ciclo giorno‑notte o il riscaldamento periodico di apparecchiature industriali, in gradienti di temperatura stabili e utili. Questo lo rende un elemento promettente per sistemi futuri che stabilizzano passivamente le temperature interne, conservano il calore dove e quando serve, o alimentano dispositivi che convertono il calore di scarto in elettricità, il tutto senza consumare energia aggiuntiva.

Citazione: Jiang, C., He, X., Zheng, X. et al. Dual Janus foam for directional thermal management. Nat Commun 17, 2251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69140-6

Parole chiave: gestione termica, schiuma Janus, raffreddamento e riscaldamento passivi, rettificatore termico, recupero energetico