Dubbel Janus-skum för riktad värmehantering

Varför formning av värmeflöde spelar roll

Från att hålla byggnader bekväma till att fånga upp spillvärme från industrier är effektiv temperaturhantering central för vår energiframtid. De flesta material låter dock värme sprida sig åt alla håll. Denna studie presenterar en ny typ av lättviktigt skum som låter värme passera mycket lättare åt ena hållet än åt det andra, ungefär som en elektrisk diod för värme. Genom att kombinera smart kontroll av solljus med envägs värmeledning kan materialet hjälpa till att jämna ut dagliga temperatursvängningar och ta tillvara annars förlorad termisk energi.

Ett skum med två mycket olika ytor

Forskarna byggde sitt material som ett ”Janus”-skum, uppkallat efter den tvåansikte romerska guden. Ena sidan av skummet är mörk och absorberar solljus starkt och omvandlar ljus till värme. Den andra sidan är ljus och reflekterar mestadels solljuset och håller sig mycket svalare. Inuti är skummet fullt av porer, men de två lagren har olika porstorlekar och något olika ingredienser. Denna dubbla konstruktion uppnåddes med specialtillverkade ”Janus”-partiklar som gillar både olja och vatten, vilket tillät teamet att skapa staplade flytande emulsioner som härdar till en styv, tvålagers-svamp.

Att omvandla ljus till envägs värme

Tillägget av en liten mängd svart kolbaserat fyllmedel i endast ett lager förändrar dramatiskt hur skummet beter sig under solljus. Den mörka, fyllnadsrika sidan absorberar det mesta av den inkommande solenergin och värms snabbt, medan motsatt sida reflekterar det mesta av ljuset och förblir relativt sval. Mätningar visar att i den mest extrema versionen reflekterar ena ytan bara några procent av solljuset medan den andra reflekterar nästan nittio procent. Som en följd kan samma skumbit antingen fungera som en solvärmare eller som ett solskydd, beroende på vilken sida som vänds mot himlen.

Vägleda värme som en envägsled

Utöver sin interaktion med ljus leder skummet också värme asymmetriskt. Eftersom de två lagren har olika porstrukturer — och eftersom endast ett lager är belastat med ett termiskt ledande fyllmedel — färdas värme snabbare när den kommer in från sidan med hög ledningsförmåga och små porer än när den kommer från motsatt riktning. Experiment med en liten värmare och sensor insatt mellan två skumsbitar visar att det effektiva värmeflödet i den ”lätta” riktningen är mer än dubbelt så stort som i den ”svåra” riktningen, en mycket stark rektifierande effekt för ett solidt bulkmaterial.

Från labbprover till verkliga förhållanden

För att se hur detta dubbla beteende fungerar i praktiken exponerade teamet skumpaneler för simulerat solljus och övervakade temperaturer på både den solbelysta och den skuggade sidan. När den mörka, absorberande ytan var uppåt blev undersidan — som representerar ett skyddat föremål — märkbart varmare än när den reflekterande ytan var uppåt. Jämfört med en enklare enlagersdesign förstärkte det dubbla Janus-skummet temperaturskillnaden mellan de två riktningarna mer än tjugofalt. Forskarna uppskalade sedan skummet till paneler flera decimeter över och placerade dem över små husmodeller utomhus. Under soligt, molnigt och till och med dimmigt eller regnigt väder höll hus täckta med skummet i ”uppvärmnings”-orientering konsekvent varmare inomhus än de med skummet bortvänt, samtidigt som de fortfarande drog nytta av skummets generella isolerande egenskaper.

Vad detta betyder för vardaglig energianvändning

Enkelt uttryckt beter sig det dubbla Janus-skummet som en tunn, flexibel yta som kan avgöra när den ska välkomna värme och när den ska blockera den — och gör det mer effektivt i ena riktningen än i den andra. Genom att kombinera stark solljussabsorbering på ena ytan med envägs värmeflöde genom sin inre struktur kan materialet omvandla naturliga temperatursvängningar, såsom dag–natt-cykler eller periodisk uppvärmning av industriutrustning, till stabila, användbara temperaturskillnader. Det gör det till en lovande byggsten för framtida system som passivt stabiliserar inomhustemperaturer, bevarar värme när och där den behövs, eller driver enheter som omvandlar spillvärme till elektricitet — allt utan att förbruka extra energi.

Citering: 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

Nyckelord: värmehantering, Janus-skum, passiv kylning och uppvärmning, termisk rektifierare, energiinsamling