方向性のある熱管理のための二面性ヤヌスフォーム

熱流の制御が重要な理由

建物の快適性維持から工場の廃熱回収まで、温度を効率的に管理することは私たちのエネルギーの未来にとって不可欠です。しかし、多くの材料は熱をあらゆる方向に拡散させてしまいます。本研究は、熱が一方向にはるかに通りやすく、逆方向には通りにくい軽量フォームを提案します。これは温かさに対する電気ダイオードのような働きをします。太陽光の巧妙な制御と一方向性の熱伝導を組み合わせることで、日々の温度変動を平滑化したり、本来は捨てられる熱エネルギーを回収したりするのに役立ちます。

二つの全く異なる表面を持つフォーム

研究者たちはこの材料を、二面を持つローマ神話の神にちなんで「ヤヌス」フォームと名付けました。フォームの片面は暗色で太陽光を強く吸収し、光を熱に変えます。もう一方の面は淡色で光を主に反射し、ずっと冷たいままです。内部は多孔質ですが、両層で気孔サイズや組成がわずかに異なります。この二重の設計は、油と水の両方に親和性を持つ特別な「ヤヌス」粒子を用いることで実現され、積み重ねた液体エマルジョンを固化させて硬い二層スポンジを作り上げています。

光を一方向の熱に変える

黒色の炭素系フィラーをごく少量だけ一方の層に加えると、太陽光下でのフォームの振る舞いは劇的に変わります。フィラーを含む暗い側は入射する太陽エネルギーの大部分を吸収して素早く加熱されるのに対し、反対側は光の大部分を反射して比較的冷たいままです。測定では、最も極端なバージョンで一方の面は太陽光を数パーセントしか反射しないのに対し、もう一方はほぼ九十パーセントを反射します。その結果、フォーム片はどちらの面を空に向けるかによって、太陽加熱材としても日除けとしても機能します。

一方通行の道のように熱を導く

光との相互作用に加えて、フォームは熱伝導においても非対称に振る舞います。両層で気孔構造が異なること、そして一方の層だけが熱伝導性フィラーで充填されていることから、高伝導性で微小な気孔を持つ側から入る熱は、逆方向から来る熱よりも速く伝わります。小型のヒーターとセンサーを二枚のフォームで挟んだ実験では、“通りやすい”方向の有効熱流が“通りにくい”方向の2倍以上であることが示され、固体のバルク材料としては非常に強い整流効果が得られています。

実験サンプルから現実世界への展開

この二重の振る舞いが実際にどのように働くかを確かめるため、チームはフォームパネルを模擬太陽光にさらし、日向面と日陰面の温度を監視しました。暗く吸収性の高い面を上にすると、保護対象を表す下側は、反射面を上にした場合よりも明らかに暖かくなりました。単層デザインと比較すると、二重ヤヌスフォームは両方向間の温度差を20倍以上に増幅しました。研究者らはその後、フォームを数十センチ角のパネルに拡大し、小さな家のモデルに屋根として載せて屋外で試験しました。快晴、曇天、さらには霧や雨の条件でも、“加熱”方向に配置されたフォームで覆った家は、フォームを反転させた場合よりも一貫して屋内が暖かく保たれ、同時にフォームの断熱特性の恩恵も受けていました。

日常のエネルギー利用への意義

要するに、二重ヤヌスフォームはいつ熱を取り入れ、いつ遮断するかを選べる薄く柔軟な表面のように振る舞い、その効果が方向によって異なります。一方の面で強く太陽光を吸収し、内部で一方通行の熱流を実現することで、昼夜のサイクルや周期的な産業機器の加熱などの自然な温度変動を、安定した有用な温度勾配に変換できます。これにより、受動的に室内温度を安定化したり、必要な場所・時間に熱を保持したり、廃熱を電力に変換する装置を駆動したりする将来のシステムの有望な構成要素となります。いずれも追加の電力消費を伴わずに実現できます。

引用: 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

キーワード: 熱管理, ヤヌスフォーム, 受動的冷却と加熱, 熱整流子, エネルギー回収