Двухсторонняя янусовая пена для направленного теплового управления

Почему важно управлять потоками тепла

От поддержания комфортного микроклимата в зданиях до улавливания тепловых потерь на производствах — эффективное управление температурой имеет ключевое значение для нашего энергетического будущего. При этом большинство материалов проводят тепло одинаково во всех направлениях. В этой работе представлен новый тип лёгкой пены, которая пропускает тепло значительно проще в одном направлении, чем в другом — подобно электрическому диоду для тепла. За счёт комбинирования продуманного управления солнечным светом и односторонней теплопроводности материал может сглаживать суточные колебания температуры и собирать в противном случае теряемую тепловую энергию.

Пена с двумя совершенно разными лицами

Исследователи создали материал в виде «янусовой» пены — в честь двухликого римского бога Януса. Одна сторона пены тёмная и сильно поглощает солнечный свет, превращая лучи в тепло. Другая сторона светлая и в основном отражает свет, оставаясь заметно холоднее. Внутри пена пористая, но два слоя имеют разные размеры пор и слегка отличающиеся компоненты. Эта двойная конструкция была получена с помощью специально изготовленных «янусовых» частиц, которые проявляют сродство как к маслу, так и к воде, что позволило создать уложенные жидкие эмульсии, отвердевшие в жёсткую двухслойную губку.

Преобразование света в одностороннее тепло

Добавление небольшого количества чёрного углеродного наполнителя в один из слоёв радикально меняет поведение пены под солнцем. Тёмная сторона с наполнителем впитывает большую часть падающей солнечной энергии и быстро нагревается, тогда как противоположная сторона отражает большую часть света и остаётся относительно холодной. Измерения показывают, что в наиболее выраженном варианте одна грань пены отражает лишь несколько процентов солнечного излучения, тогда как другая отражает почти девяносто процентов. В результате один и тот же образец пены может выступать либо в роли солнечного нагревателя, либо в роли солнцезащитного экрана, в зависимости от того, какая сторона обращена к небу.

Направление тепла как односторонняя улица

Помимо взаимодействия со светом, пена также проводит тепло асимметрично. Поскольку два слоя имеют различную пористую структуру — и только один слой загружен термопроводящим наполнителем — тепло распространяется быстрее, когда оно входит со стороны с высокой теплопроводностью и мелкими порами, чем когда идёт с противоположной стороны. Эксперименты с крошечным нагревателем и датчиком, зажатыми между двумя кусками пены, показывают, что эффективный тепловой поток в «лёгком» направлении более чем вдвое превышает поток в «трудном» направлении — весьма сильный эффект выпрямления для твёрдого объемного материала.

От лабораторных образцов к реальным условиям

Чтобы проверить, как проявляется это двойное поведение на практике, команда подвергла панели из пены имитации солнечного света и контролировала температуры на освещённой и затенённой сторонах. Когда тёмная, поглощающая сторона была сверху, нижняя сторона — представлявшая защищаемый объект — становилась заметно теплее, чем при обратной ориентации. По сравнению с более простой однослойной конструкцией, двухслойная янусовая пена усиливала разницу температур между двумя направлениями более чем в двадцать раз. Исследователи затем увеличили масштаб и сделали панели сантиметровой и даже десятков сантиметров ширины, поместив их над небольшими макетами домов на открытом воздухе. При солнечной, пасмурной и даже туманной или дождливой погоде дома, покрытые пеной в «нагревающей» ориентации, сохраняли внутри более высокую температуру, чем те, где пену переворачивали, при этом по-прежнему пользуясь общими теплоизоляционными свойствами материала.

Что это означает для повседневного энергопотребления

Проще говоря, двухсторонняя янусовая пена ведёт себя как тонкая гибкая поверхность, которая может решать, впускать ли тепло или блокировать его — и делает это эффективнее в одном направлении, чем в другом. Сочетая сильное поглощение солнечного света на одной стороне с односторонним тепловым потоком через свою внутреннюю структуру, материал может превращать естественные колебания температуры, такие как суточные циклы или периодический нагрев промышленного оборудования, в устойчивые полезные тепловые градиенты. Это делает его перспективным компонентом для будущих систем, которые пассивно стабилизируют внутреннюю температуру зданий, сохраняют тепло там и тогда, где оно нужно, или приводят в действие устройства, преобразующие тепловые потери в электричество — и всё это без дополнительного энергопотребления.

Цитирование: 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

Ключевые слова: тепловое управление, янусовая пена, пассивное охлаждение и обогрев, тепловой выпрямитель, сбор энергии