Development and Enhancing the Understanding of Bio-Based Biomimetic Functional Structures for Passive Radiative Cooling

Abstract

Funktionale Strukturen gibt es überall. Sowohl technische Produkte als auch die Natur nutzen komplexe Strukturen im Mikro- und Nanobereich für viele verschiede Zwecke. Ein Beispiel dafür und Schwerpunkt dieser Arbeit ist die passive Strahlungskühlung (im Englischen: Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC). Mehrere Tierarten haben Strukturen auf ihrer Körperoberfläche, welche PDRC ermöglichen. Das ermöglicht es diesen Tierarten in heißen Umgebungen zu überleben. Unsere Vorstudie, publiziert im Jahr 2025 im Journal Biomimetics, berichtet über die Strukturen der Silberameise (Cataglyphis bombycina) und die potenzielle Umsetzung von kostengünstigen und bio-basierten PDRC-Produkten. Chitosan-Filme werden mit der Oberflächenstruktur der Silberameise funktionalisiert, die für die passive Strahlungskühlung verantwortlich ist, gefolgt von einer qualitativen Messung der Emissivität mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie. Diese Arbeit setzt den Weg zu einer technischen Umsetzung funktionaler Kühlstrukturen fort, indem sie eine Technik zur Funktionalisierung von Chitosan-Filmen in größerem Maßstab entwickelt. Die Vervielfältigung funktionaler Strukturen mit leicht verfügbaren Mitteln stellt eine neuartige Technik zur Erzeugung funktionaler Strukturen auf technisch nutzbaren Oberflächen dar. Dieser Ansatz ist kostengünstiger und umweltfreundlicher als herkömmliche Nanostrukturierungsverfahren, wie Nanolithografie oder Präzisions-CNC-Fräsen. Die Strukturen werden mit optischen Mikroskopen und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die entwickelten Techniken sind vielseitig einsetzbar und nicht auf PDRC-Strukturen beschränkt. Zunächst wurden Experimente mit den strukturellen Farben einer CD (Compact Disc) durchgeführt und der Arbeitsablauf verbessert, bevor die funktionellen Strukturen einer Silberameise übertragen wurden. Diese Experimente werden von Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Simulationen begleitet, die ein tieferes Verständnis der funktionellen Strukturen der Silberameisen erlauben.

Functional structures are all around us. Technical products and natural phenomena alike utilize sophisticated structures at the micro- and nanoscale for a multitude of purposes. One example, and the focus of this thesis, is Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC). Several animals are known to utilize PDRC induced by structures on their body surfaces that allow them to keep cool in hot environments. Preceding studies, published in the journal Biomimetics in 2024, report on the structures of Saharan Silver Ants (Cataglyphis bombycina) and their potential implementation in low-cost and high-impact PDRC solutions. Chitosan films are functionalized with the surface structure of the Silver Ant that induce PDRC, followed by a qualitative assessment of the change in emissivity via Fourier-transform infrared spectroscopy. This thesis continues the path towards a large scale implementation of functional cooling structures, by developing a technique of functionalizing chitosan films on a larger scale. Multiplying functional structures via readily available means represents a novel technique for creating functional structures on technically usable surfaces. This approach is cost saving and more environmentally sound than conventional nano-structuring methods, such as nanolithography or precision CNC milling. The structures are investigated via optical microscopes and scanning electron microscopy. The developed techniques are versatile and not limited to PDRC structures. Experiments were first conducted and refined with the structural colors of a CD (compact disk) before attempting to transfer the functional structures of a Silver Ant. These experiments are accompanied by Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) simulations which provide a deeper understanding of the PDRC-inducing functional structures of the Silver Ants.