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Quarta-feira, Dezembro 8, 2021

Os materiais que brilham no escuro algum dia iluminarão nossas cidades? | Ciência

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Ciclovia Van Gogh

A ciclovia Van Gogh em Eindhoven é inspirada na pintura do artista A noite estrelada. Caminhos e estradas semelhantes que brilham no escuro podem, eventualmente, economizar energia para iluminar enquanto resfriam as cidades.
Dan Roosegaarde / studioroosegaarde.net

Por volta do ano de 1603, o sapateiro italiano e alquimista amador Vincenzo Casciarolo tentou fundir algumas pedras especialmente densas que havia encontrado nas encostas do Monte Paderno, perto de Bolonha. Nenhum ouro, prata ou outros metais preciosos resultaram como ele esperava. Mas depois que a pedra esfriou, Casciarolo descobriu algo interessante: se ele expusesse o material à luz do sol e depois o levasse para um quarto escuro, a pedra brilharia.

Essa “Pedra de Bolonha” foi a primeira substância persistentemente luminescente preparada artificialmente. Muitos mais se seguiriam – e hoje, materiais luminescentes persistentes são usados ​​para decorações, iluminação de emergência, marcações de pavimentos e imagens médicas.

Algum dia eles podem nos dar cidades brilhantes que permanecem mais frias e usam menos eletricidade.

UMA nova geração de materiais luminescentes tem o potencial de resfriar cidades ao reemitir luz que, de outra forma, seria convertida em calor. Eles também podem reduzir o uso de energia, uma vez que calçadas luminescentes, marcadores de estrada brilhantes ou mesmo edifícios brilhantes podem substituir alguma iluminação pública. Algumas cidades na Europa já instalaram ciclovias brilhantes e alguns pesquisadores estudaram o uso tinta brilhante para marcações rodoviárias.

“É melhor para o meio ambiente”, diz Paul Berdahl, um físico ambiental agora aposentado do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley em Berkeley, Califórnia. “Se a tecnologia puder ser melhorada, podemos usar menos energia … É uma coisa que vale a pena fazer.”

A Pedra de Bolonha, uma forma do mineral barita, fascinou os filósofos naturais da época, mas nunca foi especialmente útil. Mas, na década de 1990, os químicos desenvolveram novos tipos de materiais fotoluminescentes persistentes, como o aluminato de estrôncio, que mantinham um forte brilho por horas após a exposição à luz. A maioria desses novos materiais emite um brilho azul ou verde, embora alguns brilhem em amarelo, vermelho ou laranja.

Esses materiais fotoluminescentes funcionam “prendendo” a energia de um fóton e, em seguida, reemitindo essa energia como luz de comprimento de onda inferior. Às vezes, a luz é emitida imediatamente, como em uma lâmpada fluorescente. Outros materiais, chamados de persistentemente luminescentes, armazenam a energia por mais tempo e a emitem mais lentamente.

Os materiais que brilham no escuro algum dia iluminarão nossas cidades?

Mais de 250 tipos de materiais luminescentes foram identificados. Acima, eles são agrupados por a) os materiais residuais que atuam como o centro luminescente; b) o composto hospedeiro; ec) a cor que o material emite.

Adaptado de C. Chiatti et al. / Pesquisa de Materiais AR 2021

Esses materiais que brilham fortemente por horas abrem possibilidades, como cidades “que brilham no escuro” iluminadas por prédios e calçadas luminescentes. Desde a 19 por cento de todo o uso global de energia é para iluminaçãoe na Europa cerca de 1,6 por cento especificamente para iluminação pública, o potencial de economia de energia é grande, escreve a engenheira civil Anna Laura Pisello e colegas em 2021 Revisão Anual de Pesquisa de Materiais.

Um problema com a abordagem é que a maior parte do material luminescente não brilhará durante toda a noite. Materiais melhores podem ajudar a resolver esse problema, diz Pisello, da Universidade de Perugia, que estuda materiais de construção com eficiência energética. Nesse ínterim, os materiais existentes poderiam ser combinados com iluminação elétrica que seria ligada por tempo suficiente para recarregar as marcações da estrada antes de desligar novamente.

A tinta luminescente também pode fornecer iluminação para áreas externas. O laboratório de Pisello desenvolveu uma tinta que brilha no escuro e em um relatório de 2019, simulou o que aconteceria se eles pintassem um caminho público perto de uma estação ferroviária com ele. Ao brilhar durante a noite, a tinta reduziria a energia necessária para a iluminação em cerca de 27 por cento na área imediata, descobriram os cientistas.

Se isso evoca preocupações de cidades inteiras brilhando durante a noite e aumentando poluição luminosa prejudicial, Pisello diz que isso é improvável. Os materiais luminescentes provavelmente apenas substituiriam a iluminação existente, não aumentariam. A cor dos materiais brilhantes pode ser escolhida para evitar as frequências de azul que são consideradas especialmente prejudiciais à vida selvagem.

Materiais luminescentes também podem ajudar a combater o que é conhecido como efeito de ilha de calor urbana. Os telhados e as calçadas absorvem a energia do sol e a emitem como calor, elevando as temperaturas de verão da cidade em média 7,7 graus Celsius mais altas do que na zona rural circundante. As altas temperaturas são um perigo potencial para a saúde e também resultam no uso de mais energia para resfriar edifícios.

Uma solução cada vez mais comum é usar materiais “legais” que refletem a luz, como tinta branca e asfalto de cor clara. Acontece que adicionar materiais luminescentes pode ajudar ainda mais.

Os materiais que brilham no escuro algum dia iluminarão nossas cidades?

Anna Laura Pisello e colegas da Universidade de Perugia estão tentando criar pavimentos práticos que brilham no escuro. Eles estão experimentando diferentes substâncias luminescentes e testando como adicioná-las ao material do pavimento para obter o melhor desempenho e durabilidade. Acima estão amostras de materiais luminescentes e uma pedra de pavimentação na qual foram embutidos.

Cortesia de Anna Laura Pisello

No Laboratório Lawrence Berkeley, Berdahl e seu equipe experimentou rubi sintético, um material que é luminescente à luz do sol, para fazer revestimentos coloridos que permanecem frios. Em um experimento anterior, eles relataram que uma superfície pigmentada de rubi permanecia mais fria ao sol do que um material de cor semelhante sem o pigmento especial.

O laboratório de Pisello deu um passo adiante e adicionado vários materiais persistentemente luminescentess – aqueles que armazenavam energia luminosa e a liberavam lentamente – para concreto. Em comparação com as superfícies não luminescentes da mesma cor, as melhores delas baixavam a temperatura do ar circundante em dias de sol em até 3,3 ° C.

“Você pode fazer [a surface] tão reflexivo quanto possível. Mas você pode ir além disso? A ideia é que talvez você possa ir um pouco além disso usando luminescência persistente como outra forma de transferir energia para fora …. É interessante ”, diz Patrick E. Phelan, engenheiro mecânico da Arizona State University que foi coautor de um artigo sobre o efeito da ilha de calor urbana no Revisão Anual de Meio Ambiente e Recursos.

Existem 250 materiais luminescentes conhecidos, muitos deles ainda não estudados para aplicações práticas. Pisello diz que existe um potencial para tintas e pavimentos brilhantes que duram mais e brilham com mais cores.

“No curto prazo, a melhor e mais fácil solução é melhorar o que já temos”, diz ela. Isso inclui ajustar os materiais para que eles emitam luz por mais tempo, com mais força ou em cores diferentes, e garantir que eles continuem funcionando em ambientes do mundo real.

No longo prazo, ela acrescenta, novas classes de materiais de engenharia podem funcionar ainda melhor. Por exemplo, pode-se recorrer a “pontos quânticos” – minúsculas partículas semicondutoras que podem ser feitas para brilhar e que já estão usado em imagens biológicas – ou perovskitas, materiais usados ​​em células solares que também estão sendo estudados por suas propriedades luminescentes.

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Revista Knowable é um esforço jornalístico independente da Annual Reviews.




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