آیا موادی که در تاریکی می‌درخشند، روزی شهرهای ما را روشن خواهند کرد؟

حدود سال ۱۶۰۳، وینچنزو کاسیارولو، کفاش و کیمیاگر غیرحرفه‌ای ایتالیایی، سعی کرد سنگ متراکمی را که در دامنه کوه پادرنو در نزدیکی بولونیا پیدا کرده بود، حرارت داده و گدازگری کند (گدازگری: حرارت‌دادن سنگ معدنی با هدف ذوب‌کردن فلز پایه). هیچ طلا، نقره یا فلز گران‌بهای دیگری که او امیدوار بود، به دست نیامد؛ اما پس از سردشدن سنگ، کاسیارولو موضوع جالبی را کشف کرد: اگر آن را درمعرض نور خورشید قرار می‌داد و سپس آن را به اتاقی تاریک می‌برد، سنگ می‌درخشید.

آن «سنگ بولونیا»، اولین ماده نورتابناک (فوتولومینسنت) دائمی بود که به‌طور مصنوعی تهیه شده بود. مواد نورتابناک دیگری نیز به‌مرورزمان کشف شدند. امروزه، از مواد نورتابناک برای تزیینات، روشنایی اضطراری، خط‌کشی‌های پیاده‌رو و تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شود. آن‌ها ممکن است روزی به شهرهای ما روشنی ببخشند و درعین‌حال به خنک‌ماندن شهر و کاهش مصرف برق کمک کنند.

نسل جدید مواد نورتابناک می‌توانند با انتشار مجدد نوری که درغیراین‌صورت به گرما تبدیل می‌شود، به خنک‌ماندن شهرها کمک کنند. آن‌ها همچنین ممکن است مصرف انرژی را کاهش دهند؛ زیرا پیاده‌روهای نورتابناک، علامت‌های درخشان جاده‌ها یا حتی ساختمان‌های درخشان می‌‌توانند جایگزین بخشی از روشنایی خیابان شوند.

درحال‌حاضر، شهرهایی در اروپا برای مشخص‌کردن مسیر دوچرخه‌سواری از این مواد استفاده می‌کنند و برخی پژوهشگران استفاده از رنگ‌های نورتابناک را برای خط‌کشی جاده‌ها مورد مطالعه قرار می‌دهند.

مسیر دوچرخه‌سواری وَن گوگ در آیندهوون از نقاشی «شب پرستاره» ون گوگ الهام گرفته است. مسیرها و جاده‌های مشابهی که در تاریکی می‌درخشند، می‌توانند درنهایت در مصرف انرژی مورداستفاده برای روشنایی صرفه‌جویی کنند و شهرها را نیز خنک کنند.

پل بردال، فیزیک‌دان محیط‌زیست که از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی بازنشسته شده، می‌گوید: «این برای محیط‌زیست بهتر است. اگر بتوان این فناوری را بهبود بخشید، می‌توانیم انرژی کمتری مصرف کنیم. انجام این کار ارزشمند است.»

سنگ بولونیا، شکلی از باریت معدنی، در آن زمان فیلسوفان طبیعی را مجذوب خود کرد؛ اما هرگز به‌طور‌خاصی مفید واقع نشد. بااین‌حال در دهه‌ی ۱۹۹۰، شیمی‌دانان انواع جدیدی از مواد نورتابناک پایدار مانند استرانسیوم آلومینات را تهیه کردند که تا چندین ساعت پس از قرارگرفتن درمعرض نور، درخشندگی خود را حفظ می‌کردند. بیشتر این مواد درخشش آبی یا سبز دارند؛ درحالی‌که تعداد کمی نیز به رنگ‌های زرد، قرمز یا نارنجی می‌درخشند.

مواد نورتابناک با به‌دام‌انداختن انرژی فوتون‌ها و سپس انتشار مجدد آن به شکل نوری با طول موج کمتر عمل می‌کنند. گاهی اوقات، نور بلافاصله ساطع می‌شود؛ مانند لامپ فلورسنت. مواد دیگری که مواد نورتابناک دائمی نام دارند، انرژی را برای مدت بیشتری ذخیره و آن را به آهستگی ساطع می‌کنند.

انواع مواد نورتابناک: بیش از ۲۵۰ نوع ماده نورتابناک شناسایی شده است. این مواد در شکل بالا براساس «a: مواد کم‌مقداری که به‌عنوان مرکز نورتاب عمل می‌کنند»، «b: ترکیب میزبان» و «c:رنگی که ماده ساطع می‌کند»، گروه‌بندی شده‌اند.

مواد نورتابناک دائمی که ساعت‌ها با قدرت می‌درخشند، ممکن است به ساختن شهرهایی که با سنگفرش‌ها و ساختمان‌های نورتابناک روشن می‌شوند، کمک کنند.

آنا لورا پیسلو، مهندس ساختمان و همکارانش در مقاله‌ی سال ۲۰۲۱ خود در مجله‌ی Annual Review of Materials Research می‌نویسند: «ازآنجاکه ۱۹ درصد از کل مصرف انرژی جهان مربوط به روشنایی است و در اروپا حدود ۱/۶ درصد به‌طورخاص برای روشنایی خیابان به‌کار می‌رود، پتانسیل صرفه‌جویی در مصرف انرژی بسیار بالا است.»

یکی از مشکلات رویکرد فوق آن است که بیشتر مواد نورتابناک در تمام طول شب نمی‌درخشند. پیسلو از دانشگاه پروجا در ایتالیا که مصالح ساختمانی با بهره‌وری انرژی بالا را مطالعه می‌کند، می‌گوید مواد بهتر می‌توانند به حل این مشکل کمک کنند. در همین حین، مواد موجود را می‌توان با روشنایی موجود ترکیب کرد تا در طول شب، درخشش خط‌کشی‌های جاده قطع نشود.

رنگ نورتابناک می‌تواند به روشنایی فضا نیز کمک کند. آزمایشگاه پیسلو چنین رنگ درخشان در تاریکی را ساخته است. آن‌ها در گزارشی در سال ۲۰۱۹، این شرایط را شبیه‌سازی کردند که اگر مسیر عمومی نزدیک ایستگاه راه‌آهن را با رنگ خود نقاشی کنند، چه اتفاقی می‌افتد. دانشمندان دریافتند که با درخشش در کل شب، نقاشی مذکور انرژی موردنیاز برای روشنایی را در ناحیه‌ی نزدیک حدود ۲۷ درصد کاهش می‌داد.

پیسلو می‌گوید بعید است این رویکرد نگرانی در زمینه‌ی ایجاد آلودگی نوری مضر به‌همراه داشته باشد. مواد نورتابناک به‌احتمال زیاد جایگزین روشنایی موجود می‌شوند، نه اینکه به آن اضافه شوند. در انتخاب رنگ مواد نورتابناک نیز می‌توان دقت و از فرکانس‌های آبی مضر برای حیات‌وحش مضر اجتناب کرد.

مواد نورتابناک همچین می‌توانند به مبارزه با «اثر جزیره گرمایی شهری» کمک کنند. پشت‌بام‌ها، خیابان‌ها و پیاده‌روها انرژی خورشید را جذب و آن را به شکل گرما ساطع می‌کنند و دمای تابستان شهرها را به ۷/۷ درجه بالاتر از حومه شهر می‌رسانند. دمای بالا خطر بالقوه‌ای برای سلامتی است و موجب می‌شود برای خنک‌کردن ساختمان‌ها انرژی بیشتری مصرف شود. یکی از راه‌حل‌ها استفاده از مواد خنک برای بازتابش نور است، مانند آسفالت‌های دارای رنگ سفید و روشن. افزودن مواد نورتابناک به آن‌ها ممکن است کارکرد را افزایش دهد.

آنا لورا پیسلو و همکارانش در دانشگاه پروجا در تلاش برای ایجاد پیاده‌روهای کاربردی هستند که در تاریکی می‌درخشند. آن‌ها در حال آزمایش مواد نورتابناک مختلف هستند و نحوه‌ی اضافه‌کردن آن‌ها به مواد مورداستفاده برای ساخت سنگفرش‌ها را آزمایش می‌کنند تا به بهترین عملکرد و دوام برسند. تصویر بالا نمونه‌ای از مواد نورتابناک و سنگفرشی را نشان می‌دهد که در آن از این مواد استفاده شده است.

آزمایشگاه پیسلو قدمی جلوتر رفت و چند ماده‌ی نورتابناک دائمی را به بتن اضافه کرد. این مواد انرژی خورشید را ذخیره و آن را به‌آرامی منتشر می‌کردند. بهترین نمونه‌ی موردآزمایش، درمقایسه‌با سطوح دارای همان رنگ که نورتابناک نبودند، دمای اطراف را در روزهای آفتابی تا ۳/۳ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش می‌داد.

پاتریک ای فلان، مهندس مکانیک در دانشگاه ایالتی آریزونا و از نویسندگان مقاله‌ای درمورد اثر جزیره‌ی گرمایی شهری است که در مجله‌ی Annual Review of Environment and Resources منتشر شده. او می‌گوید:

می‌توانید سطحی را تا بیشترین حد ممکن بازتابنده کنید؛ اما آیا می‌توانید فراتر از آن بروید؟ ایده‌ی دیگری که می‌توانید دنبال کنید، این است که از ماده‌ی نورتابناک پایدار به‌عنوان روش دیگری برای انتقال انرژی به بیرون استفاده کنید.

۲۵۰ ماده نورتابناک شناخته‌شده وجود دارد که بسیاری از آن‌ها هنوز برای کاربردهای عملی مطالعه نشده‌اند. پیسلو می‌گوید می‌توان نقاشی‌ها و سنگفرش‌های درخشانی را ساخت که درخشش آن‌ها ماندگاری بیشتری داشته باشد و به رنگ‌های بیشتری بدرخشند. او می‌گوید:

در کوتاه‌مدت، بهترین و راحت‌ترین راه این است که آنچه داریم، بهبود ببخشیم. این شامل تغییردادن مواد به‌گونه‌ای است که نور را به‌مدت طولانی‌تر، با شدت بیشتر و به رنگ‌های مختلف بدرخشند و اطمینان از اینکه در محیط دنیای واقعی کارکرد خود را حفظ می‌کنند. در بلندمدت، مواد مهندسی‌شده جدید می‌توانند حتی بهتر عمل کنند.

برای مثال، می‌توان به نقاط کوانتومی (ذرات ریز نیمه‌رسانا که می‌توانند بدرخشند و در تصویربرداری زیستی از آن‌ها استفاده می‌شود) روی آورد یا از پروسکایت‌ها استفاده کرد. پروسکایت‌ها موادی هستند که در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند و برای ویژگی‌های نورتابناکی نیز در حال بررسی‌شدن هستند.