Formulation et étude optique de films composites de polymère et de microparticules pour le refroidissement radiatif passif de jour

Formulation and optical study of polymer composite films and microparticles for daytime passive radiative cooling

• Auteur / Autrice : Zoé Lecomte
• Direction : Olivier Mondain-monval, Virginie Ponsinet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Inscription en doctorat le 30/08/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux

Refroidissement

Énergie

Radiatif

Materials

Cooling

Energy

Radiative

Résumé

L'atmosphère terrestre a une bande de transparence (longueurs d'onde comprises entre 8 et 13 µm) qui coïncide avec le maximum de rayonnement des objets terrestres (corps noir à ~298K). Ce rayonnement peut donc être perdu dans l'espace lointain, qui est un puits thermique à 3K. Ainsi, les matériaux qui peuvent absorber l'énergie et la rayonner à ces longueurs d'onde présentent un fort effet de refroidissement s'ils sont exposés sous le ciel. De plus, s'ils peuvent également réfléchir la lumière solaire dans la plage de longueurs d'onde allant du visible au proche infrarouge (0.2 µm – 2.5 µm), alors ils présentent cet effet de refroidissement même lorsqu'ils sont éclairés par le soleil. Le refroidissement radiatif passif de jour (Daytime Passive Radiative Cooling) est finalement le processus par lequel une surface exposée sous le ciel rayonne une énergie dans cette bande de transparence de l'atmosphère supérieure à l'énergie solaire incidente absorbée. Ce déséquilibre conduit à un refroidissement de la surface de façon passive, c'est-à-dire sans apport d'énergie. Pour obtenir cette propriété, nous devons formuler des matériaux qui émettent fortement dans la gamme 8-13 µm (infra-rouge lointain), et qui sont opaques (diffusants) dans la gamme 0.2-2.5 µm (visible et proche infra-rouge). Dans cette thèse, nous formulerons des films composites de polymère et de microparticules diffusant la lumière visible et nous déterminerons leurs propriétés optiques dans les deux gammes de longueurs d'onde d'intérêt, en fonction de paramètres structuraux comme la nature, la taille et la fraction volumique des particules. Nous choisirons des polydimethylesiloxanes (PDMS) comme matrice et des particules de silice, car ces espèces présentent une forte émission dans l'infra-rouge lointain due aux liaisons Si-O ayant un mode de vibration dans cette gamme spectrale. Les propriétés seront mesurées par spectrophotométrie. Ces travaux expérimentaux s'appuieront sur les résultats numériques développés en parallèle dans l'équipe.

The Earth's atmosphere has a transparency band (wavelengths between 8 and 13 µm) that coincides with the maximum radiation of terrestrial objects (blackbody at ~298K). This radiation can be lost to outer space, which acts as a thermal sink at 3K. Therefore, materials that can absorb energy and radiate it at these wavelengths exhibit a strong cooling effect when exposed under the sky. Additionally, if they can also reflect solar light in the wavelength range from visible to near-infrared (0.2 µm – 2.5 µm), then they exhibit this cooling effect even when illuminated by the sun. Daytime Passive Radiative Cooling is the process by which a surface exposed under the sky radiates energy in this atmospheric transparency band greater than the incident solar energy absorbed. This imbalance leads to cooling of the surface passively, that is, without any energy input. To achieve this property, we need to formulate materials that emit strongly in the 8-13 µm range (far infrared) and are opaque (scattering) in the 0.2-2.5 µm range (visible and near-infrared). In this thesis, we will formulate composite films of polymer and light-scattering microparticles and determine their optical properties in the two wavelength ranges of interest, as a function of structural parameters such as the nature, size, and volume fraction of the particles. We will choose polydimethylsiloxanes (PDMS) as the matrix and silica particles, as these species exhibit strong far-infrared emission due to Si-O bonds having a vibration mode in this spectral range. The properties will be measured by spectrophotometry. This experimental work will be supported by numerical results developed in parallel within the team.