Tutkijat keksivät väriä ja lämpötilaa vaihtavan nanopilven, joka hämää lämpökameroita

Miten pilvi pysyy viileänä suorassa auringonpaisteessa – tai katoaa infrapunakameralta? Luonnossa ilmiöt kuten valkoiset kumpupilvet, harmaat myrskyt ja jopa jääkarhujen ontot karvat tarjoavat kiehtovia esimerkkejä siitä, miten lämpötila, väri ja näkymättömyys voivat olla tasapainossa. Näistä ilmiöistä inspiroituneena tutkijat ovat nyt kehittäneet nanomittakaavan ”pilvimetapinnan”, joka voi vaihtaa valkoisesta harmaaseen – viilentäen tai lämmittäen tarpeen mukaan ja pysyen samalla näkymättömänä lämpökameroilta.

Globaalisti panostetaan voimakkaasti passiiviseen ja energiatehokkaaseen lämmönhallintaan rakennusmateriaaleissa, puettavassa teknologiassa, sensoreissa ja puolustussovelluksissa. Tämä uusi keksintö sopii täydellisesti kehittyville aloille, kuten säteilyviilennykseen, mukautuviin pinnoitteisiin, lämpölämmitykseen ja lämpönaamiointiin. Kaikki tärkeitä ilmiöitä ilmasto- ja turvallisuushaasteiden näkökulmasta.

”Olemme luoneet nanoskaalaisen pilven jokaiselle pinnalle. Se voi säätää väriään ja lämpötilaansa kuin oikea pilvi – viilentävän valkoisen ja lämmittävän harmaan välillä – samalla kun se pysyy piilossa lämpökameroilta”, selittää professori Mady Elbahri Aalto-yliopistosta.

Aivan kuten kirkkaat kumpupilvet muuttuvat tummiksi ukkospilviksi, tämä metapinta hyödyntää valon sirontaa ja absorptiota säädelläkseen sekä valoa että lämpöä. Valkoisessa tilassaan se sirottaa voimakkaasti auringonvaloa takaisin, mahdollistaen säteilyviilennyksen, kun taas harmaa tila absorboi tehokkaasti auringonvaloa korkean suorituskyvyn lämmitykseen. Kummassakin tilassa pinta pysyy kuitenkin näkymättömänä infrapunakameroille, koska se säteilee vain vähän keskivälin infrapunasäteitä. Tämä ei ole onnistunut koskaan aiemmin nanopinnoissa.

Sekä valkoinen että harmaa metapinta voittavat perinteiset pinnoitteet

Tavalliset valkoiset maalit viilentävät pintoja sirontamalla auringonvaloa joka suuntaan, mutta ne loistavat edelleen lämpökameroissa. Tämä uusi materiaali toimii enemmän kuin pilvi – viilentäen heijastamalla auringonvaloa takaisin ja pysyen samalla piilossa lämpösensoreilta.

Perinteiset valkoiset pinnoitteet (esimerkiksi titaanidioksidiin perustuvat, TiO₂) sirottavat valoa diffuusiona, mutta toimivat tehokkaasti vain varjossa tai yöllä. Niiden korkea emissiivisyys 8–13 μm aallonpituusalueella tekee niistä näkyviä lämpökuvauksessa, mikä rajoittaa niiden käyttöä lämpönaamioinnissa.

”Tämä uusi valkoinen plasmoninen metapinta sirottaa auringonvaloa satunnaisten metallinanorakenteiden avulla ja samalla minimoi lämpösäteilyn – viilentäen pintoja suorassa auringonvalossa ja pysyen lämpökameroilta piilossa. Tämä tekee siitä mullistavan innovaation”, sanoo tohtorikoulutettava Adel Assad.

Mustat materiaalit kuumenevat auringossa, mutta näkyvät samalla selkeästi lämpökameroissa, koska ne säteilevät voimakkaasti infrapunaa.
”Tämä harmaa pinta kuumenee jopa enemmän kuin musta, mutta ilman, että se säteilee lämpöä, joka olisi havaittavissa lämpökameroilla. Tämä voi mullistaa älytekstiilit, rakennusmateriaalit ja naamioinnin,” sanoo tutkijatohtori Moheb Abdelaziz.

Sinnikäs tutkimustyö potentiaalisen aiheen parissa

Tämä tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia mukautuvien pintojen kehittämisessä. Mahdollisia sovelluksia ovat esimerkiksi nollaenergiarakennusten julkisivut, jotka vaihtavat lämmityksen ja viilennyksen välillä, älytekstiilit, jotka säätelevät kehon lämpötilaa ilman elektroniikkaa tai matalan näkyvyyden sensorit ja laitteet puolustukseen ja valvontaan.

Tulevaisuudessa tutkijat tutkivat älypinnoitteita, jotka voivat muuttua reaaliajassa käyttäjän ohjauksella erityisten kerrosten avulla.

Tutkijat ovat iloisia läpimurrosta huolimatta siitä, että projektihakemus alun perin hylättiin. 

”Ilman varsinaista rahoitusta nojauduimme yhteiseen visioon ja yhteistyöhön – erityisesti saksalaisten kumppaniemme kanssa – ja muunsimme epäilykset oivalluksiksi. Se on todiste siitä, että tiede, aivan kuten pilvetkin, voi nousta vastoinkäymisistä huolimatta.”

Tutkimus julkaistiin Advanced Materials -lehdessä kesäkuussa 2025.