Комбинированный материал обеспечивает гибкую терморегуляцию.
Прежде чем надеть одежду, мы должны решить – должна ли она сохранить тепло или обеспечить доступ к прохладному воздуху? Учёные наконец разработали функциональный материал, который может и то, и другое.
Он работает по принципу двусторонней куртки. Одна сторона удерживает тепло нашего тела и греет. А если вывернуть куртку наизнанку и надеть её, то материал начнёт направлять тепло наружу и позаботится о подаче приятного прохладного воздуха.
Верхняя одежда уже давно является высокотехнологичным продуктом: благодаря сложной комбинации специально разработанных материалов куртка, например, защищает от дождя, но при этом активно пропускает воздух внутрь и пар потоотделения наружу. Это стало возможным благодаря специальной наноструктуре текстильных слоев.
Но если говорить о терморегуляции, то подобную одежду нельзя назвать легко адаптирующейся к температуре: эта куртка согревает, но, когда мы захотим охладиться, нам придётся её снять.
По-Чун Сюй из Стэнфордского университета и его коллеги разработали функциональный материал, который в зависимости от условий может и охлаждать, и нагревать.
Сложные слои
Нанополиэтиленовый слой с медным напылением.
Секрет функциональности новой ткани кроется в комбинации материалов: он состоит из двух разных по толщине слоёв полиэтилена, который пронизан нанопорами. Как объясняют исследователи, этот нанопористый полиэтилен проницаем как для инфракрасного излучения среднего диапазона, так и для теплового излучения, исходящего от нашей кожи.
Более толстый слой полиэтилена покрыт с внутренней стороны пористым углеродным слоем — материалом, который обладает высоким коэффициентом излучения. Он может не только поглощать большое количество тепловой энергии, но и эффективно отдавать её.
Нанополиэтиленовый слой с углеродной пористой пленкой.
Другая сторона нанопористого полиэтилена обработана напылением тончайшего слоя меди. Этот металл имеет незначительный коэффициент излучения, поэтому поглощает мало теплоэнергии и также мало её отдаёт.
«Электронно-микроскопические снимки показывают, что этот слой достаточно тонок: воздух и пар могут свободно циркулировать через него», — сообщают исследователи.
Эффективная теплопроводность
Обе части нанопористого полиэтилена соединены таким образом, что углерод и медь создают двойной слой. «Этот двойной слой служит в качестве теплоизлучателя, а от цели применения зависит выбор толщины прослойки нанополиэтилена», — объясняют Сюй и его коллеги. Если материал нужен для охлаждения, то к коже нужно повернуть более тонкую прослойку нанополиэтилена.
«Он обеспечивает эффективную передачу тепла между кожей и прослойкой», — сообщают учёные. В этом положении углеродная сторона двойного слоя находится снаружи и выпускает поступающее изнутри тепло в окружающее пространство. А если ткань должна согревать, то надо повернуть толстый слой внутрь. Нанополиэтилен теперь функционирует как изоляция и не позволяет теплу тела добраться до излучающего слоя.
Испытание в климатической камере
Чтобы изучить, как этот инновационный материал работает на практике, Сюй и его коллеги провели эксперимент в климатической камере. В качестве кожи использовалась нагретая до 31 градуса специальная тепловая пластина, температура воздуха в камере была около 22 градусов.
«Как только к этой искусственной коже прикладывался кусок обычного материала, её температура поднималась до 37 градусов», — сообщают исследователи.
Далее следовало сравнение с разработанной тканью: если затем на кожу ставился охлаждающий слой, то её температура падала до 33,8 градусов. А тёплый слой ткани способствовал подъёму температуры кожи до 40,3 градусов. «Разница в 6,5 градусов достигается простым поворотом ткани на другую сторону», — подчёркивают исследователи.
Увеличение зоны комфорта
Большое преимущество: сделанная из этого функционального материала двусторонняя куртка увеличивает нашу тепловую зону комфорта – диапазон температуры, в пределах которого мы не потеем и не замерзаем.
Одежда из инновационной ткани компенсирует колебания температуры воздуха. Благодаря этому мы остаёмся в нашей комфортной зоне без необходимости переодеваться и охлаждать или обогревать помещение.
И ещё один плюс: разработанной ткани для полного функционирования не нужна дополнительная энергия.
Как сообщают учёные, этот материал может использоваться не только при пошиве одежды, но и для защиты чувствительной электроники от перепадов температуры. Изменение двухслойного материала может повысить его эффективность до 14,5 градусов.
