Refroidissement radiatif : une nanostructure de PVDF atteint 12,9°C sous la température de référence

Alors que le réchauffement climatique accroît année après année le risque de canicules en France, une question se pose sur la pertinence de nos moyens actuels permettant de refroidir nos bâtiments. En effet, les solutions conventionnelles de réfrigération reposent essentiellement sur des équipements fortement consommateurs en énergie, la plupart du temps produite à partir de combustibles fossiles. Ainsi, au cours des dernières décennies, la consommation énergétique associée à des systèmes de réfrigération a augmenté de manière notable, atteignant actuellement environ 20 % de la consommation mondiale d’électricité. Vivre dans un environnement toujours plus chaud tout en respectant une trajectoire de décarbonation demande donc de se pencher sur le développement de nouvelles stratégies de refroidissement.

Une fenêtre atmosphérique pour évacuer la chaleur vers l’espace

Une alternative aux solutions classiques est ainsi explorée depuis quelques années. Basée sur le principe du refroidissement radiatif passif diurne (PDRC), elle exploite la capacité de certains matériaux à réfléchir fortement le rayonnement solaire tout en émettant efficacement leur chaleur dans l’infrarouge. L’atmosphère terrestre présente en effet une « fenêtre de transparence » pour les longueurs d’onde entre 8 et 13 µm. Un rayonnement émis dans cette gamme peut ainsi traverser l’atmosphère et rejoindre directement l’espace, qui constitue un puits thermique à très basse température. L’objectif est donc de développer un matériau présentant un bilan thermique négatif, c’est-à-dire dont l’énergie thermique évacuée par rayonnement dépasse les apports thermiques reçus. La température d’un tel matériau peut alors descendre sous celle de l’air ambiant. Cette approche pourrait permettre de refroidir une surface (toiture, murs…) de manière significative sans avoir à fournir d’énergie.

Un PVDF nanostructuré pour améliorer ses propriétés radiatives

Dans ce contexte, les polymères présentent un intérêt certain en raison de leur capacité à émettre dans l’infrarouge. Toutefois, leur transparence intrinsèque au rayonnement solaire limite leur réflectance. Plusieurs stratégies sont donc actuellement étudiées pour augmenter cette dernière : ajout de couches métalliques réfléchissantes ou de nanoparticules diélectriques, ou encore structuration du polymère à l’échelle micro ou nanométrique afin d’accroître la diffusion de la lumière. C’est sur ce dernier point que repose l’originalité de l’étude réalisée par une équipe de l’Institut de Micro et Nanotechnologie (IMN-CNM, CSIC), publiée dans la revue Nanophotonics.

Les chercheurs du CSIC ont développé une structure tridimensionnelle de fluorure de polyvinylidène (PVDF) nanostructuré, fabriquée à l’aide d’une matrice nanoporeuse d’oxyde d’aluminium anodisé (3D-AAO). Le contrôle précis de la géométrie interne du matériau à l’échelle nanométrique permet de moduler ses propriétés optiques et donc d’améliorer ses performances de refroidissement.

Le choix initial du PVDF repose notamment sur ses fortes liaisons polaires C–F et C–H, qui lui confèrent une forte émission dans la fenêtre atmosphérique 8-13 µm. Le polymère présente également une bonne résistance aux UV et aux conditions extérieures, ainsi qu’un caractère hydrophobe favorisant son autonettoyage.

Réflectance solaire et émissivité : des résultats très encourageants

Le procédé débute avec l’infiltration du PVDF dans la matrice nanoporeuse, la vitesse de refroidissement (naturelle, rapide ou ultrarapide) étant contrôlée afin de modifier la proportion des phases cristallines α et β et d’étudier l’influence de cette structure sur ses propriétés optiques. Au final, le refroidissement ultrarapide s’est révélé le plus favorable. Un traitement UV de 96 heures sous lumière solaire directe a ensuite été réalisé. Celui-ci provoque en effet une photo-oxydation qui blanchit progressivement le nanomatériau, augmentant sa réflectance solaire sans dégradation détectable du squelette polymère.

Après retrait de la matrice d’alumine, certains échantillons de 3D-PVDF ont ainsi montré des propriétés largement améliorées, avec jusqu’à 82,4 % de réflectance solaire moyenne dans la gamme 0,32 à 2,5 µm ; 96,7 % d’émissivité infrarouge dans la fenêtre atmosphérique 8-13 µm ; et une puissance de refroidissement théorique de 182,3 W/m² pour une irradiance solaire de 1 000 W/m².

Jusqu’à 12,9 °C de refroidissement lors des essais en extérieur

Des essais en extérieur ont également été réalisés durant l’été 2025. Dans les conditions les plus favorables à un refroidissement radiatif (journées chaudes, sèches et fortement ensoleillées), le matériau a ainsi réussi à maintenir une température jusqu’à 12,9 °C inférieure à celle d’une surface de référence non recouverte. Ces performances dépendent toutefois fortement des conditions météo. Alors qu’avec une irradiance d’environ 930 W/m² l’effet est maximal, il devient très faible, voire négligeable, lorsque l’irradiance tombe à 614 W/m². Une forte humidité atmosphérique constitue également un facteur limitant, en réduisant la transmission du rayonnement infrarouge dans la fenêtre atmosphérique 8-13 µm.

Malgré ces limitations, les résultats de l’étude mettent en évidence le potentiel du 3D-PVDF pour des applications de refroidissement radiatif passif. De plus, « cette méthode de fabrication s’avère relativement économique puisqu’elle peut être adaptée aux processus industriels et ouvre de nouveaux moyens de concevoir des matériaux qui pourraient être incorporés dans les toits et les façades de bâtiments, d’appareils électroniques, de véhicules ou de systèmes de gestion thermique personnels », affirme Cristina Vicente, responsable du projet « COOLed », dans ce communiqué. Des travaux supplémentaires seront toutefois nécessaires pour évaluer les performances dans le temps de ce type de matériaux ainsi que dans des conditions environnementales variées, et estimer s’ils peuvent constituer une alternative durable aux systèmes de réfrigération conventionnels.