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Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands

Este estudio demuestra que los emisores selectivos nanoparticulados (Nano-SEs) superan significativamente a las alternativas de banda ancha en la mitigación de las islas de calor urbano al lograr temperaturas superficiales más bajas bajo los factores de visión celeste restringidos típicos de los paisajes urbanos densos, ofreciendo así una solución escalable para mejorar la resiliencia térmica urbana.

Autores originales: Ioannis Papakonstantinou, Jiayu Song, Ahmad Alduweesh, Abdulkareem Alasli, Zhijie Xu, Albert Adibekyan, Christian Monte, Haoying Zhao, Fei Guo, Ivan Parkin

Publicado 2026-09-09

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CC BY 4.0

Autores originales: Ioannis Papakonstantinou, Jiayu Song, Ahmad Alduweesh, Abdulkareem Alasli, Zhijie Xu, Albert Adibekyan, Christian Monte, Haoying Zhao, Fei Guo, Ivan Parkin

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Las ciudades suelen ser significativamente más cálidas que el campo que las rodea, un fenómeno conocido como el efecto de isla de calor urbana. Este calor adicional proviene del sol que calienta edificios y carreteras, los cuales luego irradian esa energía almacenada de vuelta al aire, creando un ciclo de retroalimentación que hace que las ciudades sean más difíciles de enfriar y más caras para vivir. Una forma prometedora de combatir esto sin usar electricidad es el enfriamiento radiativo. Este proceso funciona permitiendo que una superficie irradie su calor directamente hacia el vacío frío del espacio. La atmósfera actúa como una ventana para este calor, dejando pasar la radiación infrarroja a través de una banda específica de longitudes de onda mientras la bloquea en otras. Si un material puede emitir calor fuertemente a través de esta ventana atmosférica y reflejar la luz solar, puede teóricamente enfriarse por sí mismo incluso cuando el aire a su alrededor está caliente.

Durante años, los científicos han debatido la mejor manera de construir estos materiales de enfriamiento. Algunos diseños son de "banda ancha", lo que significa que emiten calor a través de un amplio rango de longitudes de onda infrarrojas. Otros son "selectivos", diseñados para emitir calor solo a través de esa ventana atmosférica específica mientras reflejan el calor en todas las demás longitudes de onda. En áreas rurales abiertas donde el cielo no tiene obstrucciones, investigaciones previas sugirieron que los diseños selectivos más complejos ofrecían solo una pequeña ventaja sobre los diseños de banda ancha más simples. Esto llevó a muchos a creer que el esfuerzo adicional para crear emisores selectivos no valía la pena. Sin embargo, esta conclusión asumía una vista despejada del cielo, una condición que rara vez existe en las calles densas y tipo cañón de una ciudad moderna.

Un equipo de investigadores del University College London y otras instituciones ha demostrado ahora que, en el mundo real de las azoteas urbanas, los emisores selectivos son muy superiores. Descubrieron que, cuando una superficie de enfriamiento está rodeada de edificios calientes, los materiales simples de banda ancha absorben el calor no deseado que irradian esas paredes, haciendo que se calienten. Los emisores selectivos, por el contrario, reflejan ese calor errante de los edificios mientras permiten que su propio calor escape al espacio. Para probar esto, los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de material llamado emisor selectivo nanoparticulado. En lugar de utilizar capas complejas y rígidas que son difíciles de fabricar, crearon diminutas partículas de oxinitruro de silicio. Estas partículas fueron diseñadas con una estructura porosa similar a una esponja para asegurar que pudieran ser completamente convertidas durante la fabricación, otorgándoles la capacidad perfecta de emitir calor solo a través de la ventana atmosférica.

Los investigadores probaron estos materiales en dos entornos muy diferentes. Primero, colocaron estos materiales en una azotea en Londres con una vista despejada del cielo. Como era de esperar, los emisores selectivos funcionaron casi igual que los de banda ancha, enfriando la superficie unos pocos grados por debajo de la temperatura del aire ambiente. Esto confirmó que, en espacios abiertos, la complejidad adicional de los emisores selectivos no proporciona un beneficio importante. La historia cambió por completo cuando simularon un entorno urbano denso. Prepararon una prueba donde las muestras de enfriamiento estaban rodeadas de paredes calentadas, imitando las fachadas calientes de los edificios altos que bloquean la vista del cielo. En este escenario, los materiales de banda ancha fallaron al enfriar eficazmente, volviéndose a menudo más calientes que el aire circundante porque absorbían el calor de las paredes. Los emisores selectivos, sin embargo, continuaron enfriando, manteniéndose significativamente más frescos que las versiones de banda ancha.

La ventaja del diseño selectivo creció a medida que aumentaba el calor circundante. Cuando los investigadores simularon paredes calentadas a temperaturas entre 40 y 80 grados Celsius, los emisores selectivos se mantuvieron hasta 5 grados Celsius más frescos que los de banda ancha. En simulaciones aún más extremas, donde la fuente de calor alcanzó los 500 grados Celsius, la brecha se amplió aún más. Esto sucede porque el calor que irradia de objetos muy calientes se desplaza hacia longitudes de onda más cortas que caen fuera de la ventana atmosférica; el material selectivo rechaza naturalmente este calor, mientras que el material de banda ancha lo absorbe. El equipo también creó dos versiones de su material: una que refleja la luz solar para su uso en techos opacos, y otra que es transparente a la luz solar para su uso en ventanas o invernaderos. Ambas versiones mantuvieron su capacidad de rechazar el calor de los alrededores calientes mientras irradiaban su propio calor hacia afuera.

Utilizando modelos computacionales basados en el trazado real de Londres, el equipo proyectó qué pasaría si manzanas enteras de la ciudad se cubrieran con estos materiales. En zonas de baja altura, ambos tipos de materiales funcionaron bien. Pero en los distritos de rascacielos, donde la vista al cielo está fuertemente bloqueada por los edificios altos, los materiales de banda ancha tuvieron dificultades para mantener frescos los techos. Los emisores selectivos, sin embargo, mantuvieron temperaturas más bajas en todo el distrito, contrarrestando eficazmente el calor atrapado por los edificios. Este trabajo sugiere que, si bien los materiales de enfriamiento simples pueden ser suficientes para espacios abiertos, los desafíos únicos de las ciudades densas requieren la precisión de los emisores selectivos. Al rechazar el calor irradiado por los edificios vecinos y solo liberar su propio calor hacia el universo frío, estos nuevos materiales basados en nanopartículas ofrecen una forma escalable y práctica de hacer que las ciudades del futuro sean más habitables y eficientes energéticamente.

Resumen Técnico: Emisores Selectivos Nanoparticulados para el Enfriamiento Radiativo Efectivo en Islas de Calor Urbanas

Planteamiento del Problema
El efecto de isla de calor urbana (UHI, por sus siglas en inglés), impulsado por la infraestructura que absorbe el calor y el calor residual, eleva significativamente las temperaturas urbanas, amenazando la salud pública y la sostenibilidad energética. El enfriamiento radiativo pasivo, que disipa el calor hacia el universo frío (3 K) a través de la ventana de transparencia atmosférica de 8–13 μm, ofrece una solución de enfriamiento de energía cero. Sin embargo, el consenso actual sugiere que los emisores selectivos (que se centran únicamente en la ventana de 8–13 μm) ofrecen solo ventajas marginales sobre los emisores de banda ancha (que emiten a través de todo el espectro infrarrojo) bajo condiciones de cielo sin obstrucciones. Además, las tecnologías de emisores selectivos existentes enfrentan limitaciones materiales significativas, incluyendo una baja escalabilidad, requisitos de sustratos rígidos y compensaciones entre la alta emisividad de la ventana atmosférica ( $\varepsilon_{8-13\mu m}$ ) y la selectividad espectral ( $\eta$ ).

Los autores argumentan que la percepción de marginalidad de los emisores selectivos es específica de entornos rurales y sin obstrucciones. En paisajes urbanos densos, donde los edificios obstruyen la visión del cielo (bajo factor de visión del cielo, SVF) y radian calor desde superficies calientes (40–80 °C) hacia las superficies de enfriamiento, la dinámica de rendimiento cambia. Los emisores de banda ancha absorben esta radiación térmica urbana parásita, lo que anula su capacidad de enfriamiento, mientras que los emisores selectivos la reflejan. A pesar de esta ventaja teórica, el despliegue práctico se ha visto obstaculizado por la falta de materiales escalables y de alto rendimiento que puedan adaptarse a diversas aplicaciones urbanas (por ejemplo, techos opacos frente a fachadas transparentes).

Metodología
El estudio emplea un enfoque multifacético que combina modelado teórico, síntesis de materiales y validación experimental:

Modelado Teórico: Los autores modelaron el flujo de calor radiativo ( $Q_{urban}$ ) incidente en azoteas horizontales desde paredes verticales circundantes a distintas temperaturas ( $T_w$ ) y SVF. Compararon las temperaturas de equilibrio teóricas de emisores de banda ancha (BE) ideales y emisores selectivos (SE) ideales bajo estas condiciones, incluyendo coeficientes de transferencia de calor parásito ( $h$ ).
Síntesis de Materiales (Nano-SEs): Para superar las limitaciones de los materiales, el equipo desarrolló Emisores Selectivos Nanoparticulados (Nano-SEs) compuestos de oxinitruro de silicio ( $SiO_xN_y$ $S i O_{x} N_{y}$ ).
- Ingeniería Morfológica: Para resolver la difusión limitada de la incorporación de nitrógeno inherente a la nitruración térmica de la sílice ( $SiO_2$ ), utilizaron nanoesferas porosas y huecas y aerogeles de sílice. Estas morfologías proporcionan áreas superficiales específicas elevadas, facilitando la difusión del gas amoníaco y permitiendo una estequiometría controlada.
- Integración: Los Nano-SEs se integraron en matrices poliméricas para crear dos configuraciones distintas:
  - Reflectante Solar: Nano-SEs dispersos en polidimetilsiloxano (PDMS) sobre un sustrato recubierto de plata para superficies opacas.
  - Transparente Solar: Nano-SEs dispersos en polietileno de baja densidad (LDPE) sobre vidrio con óxido de indio y estaño (ITO) para aplicaciones que requieren acceso visual (por ejemplo, ventanas, invernaderos).
Caracterización: Las propiedades ópticas se midieron mediante FTIR (emisividad hemisférica y angular hasta 100 μm), espectrometría UV-Vis-NIR (reflectancia/transmitancia solar) y XPS/SEM/STEM para el análisis estructural y elemental.
Validación Experimental:
- Pruebas de Cielo Despejado: Pruebas en exteriores en Londres (SVF = 1) para comparar los Nano-SEs con controles de banda ancha.
- Simulación Urbana: Experimentos controlados que imitan azoteas urbanas rodeadas de paredes calentadas ( $T_w$ = 40–100 °C, extendido a 500 °C) con SVF variables (0.13–1).
- Modelado a Escala de la Ciudad: Simulación de una zona de 1 km de diámetro en Londres utilizando datos de LiDAR para mapear el SVF y predecir las temperaturas de las azoteas para distritos equipados con emisores de banda ancha o selectivos.

Resultos Clave

Rendimiento del Material: Los Nano-SEs optimizados ( $SiO_{1.2}N_{0.7}$ ) alcanzaron una emisividad de la ventana atmosférica ponderada por peso ( $\varepsilon_{8-13\mu m}$ ) del 94.1% y una selectividad espectral ( $\eta$ ) de 2.46. Esto supera a los recubrimientos de partículas desordenadas y polímeros de última generación y a los diseños dieléctricos de una o múltiples capas. La variante reflectante solar alcanzó una reflectancia solar del 95.3%, mientras que la variante transparente solar mantuvo una transmitancia solar del 87.8%.
Rendimiento de Cielo Despejado: Bajo condiciones de cielo sin obstrucciones (SVF = 1), los resultados experimentales confirmaron que los emisores selectivos ofrecen ventajas de temperatura insignificantes respecto a los emisores de banda ancha ( $\Delta T \approx 0$ °C), validando la postura de la literatura actual para entornos rurales.
Rendimiento Urbano: En entornos urbanos simulados con SVF limitado y alrededores calientes ( $T_w$ = 40–80 °C), los emisores selectivos demostraron una ventaja de enfriamiento significativa, logrando temperaturas superficiales de 0.5 a 5 °C más bajas que sus contrapartes de banda ancha. A medida que $T_w$ aumentó a 100 °C y el SVF disminuyó a 0.17, la ventaja persistió.
Sensibilidad a Altas Temperaturas: La ventaja de enfriamiento de los emisores selectivos aumentó con la temperatura de la fuente de calor ( $T_w$ ). A $T_w$ = 200–500 °C (relevante para escapes industriales), el espectro de cuerpo negro se desplaza hacia longitudes de onda más cortas, aumentando la fracción de radiación fuera de la ventana de 8–13 μm. Los emisores selectivos rechazan eficazmente esta radiación, mientras que los emisores de banda ancha la absorben, ampliando la brecha de temperatura.
Impacto a Escala de la Ciudad: El modelado de los distritos de rascacielos de Londres mostró que, mientras los emisores de banda ancha no logran proporcionar un enfriamiento sub-ambiental en áreas con bajo SVF (<0.4), los emisores selectivos mantienen temperaturas sub-ambientales, mitigando eficazmente el efecto de isla de calor urbana en núcleos urbanos densos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma resolver el debate sobre la eficacia de los emisores selectivos al demostrar que su superioridad depende del contexto. Los autores sostienen que, si bien los emisores de banda ancha son suficientes para entornos rurales, los emisores selectivos son esenciales para los entornos urbanos densos donde la interacción radiativa de los edificios calientes es significativa.

La contribución principal es el desarrollo de los Nano-SEs, una plataforma nanoparticulada escalable que supera las compensaciones tradicionales entre selectividad espectral y escalabilidad de materiales. Al diseñar la morfología de las nanopartículas de $SiO_xN_y$ , los autores lograron una alta $\varepsilon_{8-13\mu m}$ y $\eta$ sin los complejos procesos de deposición o las limitaciones de sustrato de los diseños de capas anteriores. Además, la versatilidad de la plataforma permite respuestas solares personalizadas (reflectantes o transparentes), lo que permite el despliegue en diversas superficies urbanas, desde azoteas hasta fachadas de vidrio.

El trabajo concluye que la integración de tales emisores selectivos escalables en la infraestructura urbana ofrece una estrategia pasiva viable para mejorar la resiliencia térmica y mitigar el intensificado efecto de isla de calor urbana, particularmente a medida que las ciudades crecen en densidad y verticalidad.

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