Ein Forschungsteam um Professor Shu Yang und Dr. Kun-Hao Yu von der University of Pennsylvania hat in der Fachzeitschrift Advanced Materials eine Studie veröffentlicht, in der es eine von der Haut afrikanischer Elefanten inspirierte Kieselgur-Zement-Verbundfliese entwickelte. Diese erreicht durch ein programmierbares Rissnetzwerk eine effiziente passive Verdunstungskühlung. Erstautorin der Arbeit ist Qingya Huang; die Studie erschien im Jahr 2026.

Das Forschungsteam goss einen Schlamm aus Kieselgur und Zement im Massenverhältnis 1:1 zu 3 mm dicken Proben. Nach einer einstündigen Vorhydratation wurden die Proben bei 60 °C getrocknet, wobei das Material spontan Risse bildete. Die mikro- und nanoporöse Struktur der Kieselgur ermöglicht eine schnelle Wasseraufnahme von Wassertropfen innerhalb von 50 Millisekunden, während das Rissnetzwerk als Kapillarkanalsystem dient, das Wasser quer über die gesamte Oberfläche transportiert. Die während der Vorhydratation gebildeten Calciumsilikat-Hydrat-Gele und ettrinigartigen Kristalle (Ettringit) schaffen Brückenstrukturen zwischen den Kieselgurpartikeln, die die strukturelle Integrität des Materials über wiederholte Befeuchtungs-Trocknungs-Zyklen hinweg bewahren. Der Verbundwerkstoff mit 50 % Kieselguranteil weist einen Elastizitätsmodul von über 10 Megapascal und eine 3-Tage-Druckfestigkeit von etwa 2,9 Megapascal auf.

Durch die Konstruktion von dreieckigen, gratartigen Erhebungen auf der Substratoberfläche der Form, die als Spannungskonzentratoren wirken, wandelte das Team die zufällige Rissbildung in kontrollierbare, deterministische Rissmuster um. Anschließend stellten sie drei Arten von periodischen Rissnetzwerken her, die eine vollständige Flächenabdeckung ermöglichen: Dreieck, Quadrat und Sechseck. Bei Tests unter einer Neigung von 60° mit einer festgelegten Wassermenge erzielte das sechseckige Gitter mit mittlerer Dichte die höchste Wasserrückhaltung und verlängerte die effektive Kühlperiode auf über 20 Stunden.

In einem simulierten Hausdachmodell platzierten die Forscher Fliesen aus dem Material mit 50 % Kieselgur und hexagonalem Rissmuster, gerissene handelsübliche Putzfliesen und ungerissene Putzfliesen unter Infrarotlampenheizung. Die Oberflächentemperatur der Wärmequelle wurde konstant bei 42 ± 1 °C gehalten; alle 30 Minuten wurden 15,5 Gramm Wasser am Dachfirst zugeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperatur unter den Kieselgur-Zement-Fliesen stabil bei etwa 32 °C blieb, während sie unter den gerissenen Putzfliesen etwa 42 °C und unter den ungerissenen Putzfliesen etwa 52 °C betrug.

Diese Methode verwandelt die zufälligen Rissdefekte, die durch Trocknungsschwindung in zementgebundenen Materialien entstehen, in einen funktionalen Vorteil für Wasserleitung und -speicherung. Sie bietet eine technische Lösung für kostengünstige, skalierbare und langlebige, energieautarke passive Kühlmaterialien für Gebäude. Das Team hat die Technologie zum Patent angemeldet und arbeitet derzeit an großflächigeren Anwendungstests.