Климат планеты Земля весьма разнообразный, а потому каждый климатический регион диктует свои правила адаптации, особенно, когда речь идет о температуре воздуха. Когда нам жарко, мы стараемся одевать минимум одежды из легких материалов, но когда холод буквально пронизывает до костей, человек превращается в аналог объекта знаменитой загадки «сто одежек и все без застежек». Если же серьезно, то использование нескольких слоев одежды для сохранения тепла тела обусловлено свойствами материала, из которого данная одежда изготовлена. Даже самый современный текстиль обладает весьма ограниченной тепловой изоляцией. И если мы хотим решить эту проблему, то стоит обратить внимание на тех, чья одежка прекрасно спасает от суровых холодов, а именно на полярных медведей. Известно, что механизм терморегуляции полярных животных основан на контроле обмена энергии излучения с окружающей средой за счет комбинации светопоглощающих и теплоудерживающих материалов. Ученые из Массачусетского университета в Амхерсте (США), используя полярных медведей в качестве вдохновения, создали новый тип двухслойного материала, который намного легче и теплее хлопка. Какие именно анатомические особенности белых медведей использовались для разработки, какова структура нового материала, и насколько он эффективно удерживает тепло? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Человечество прошло невероятный путь от каменных инструментов до технологий современности, многие из которых продолжают совершенствоваться, обрастая новыми свойствами и функциями. Однако, если одни технологии лишаются своих изначальных функций, обретая новые, то одежда, как и тысячи лет назад, продолжает выполнять свою самую важную функцию — терморегуляция. Проблема в том, что климат планеты меняется (не без нашего участия), а потому текстиль также должен меняться. Другими словами, нам необходимо переходить от количества (холодно — больше слоев одежды, жарко — меньше) к качеству, изменяя свойства текстиля так, чтобы он мог более эффективно выполнять свои терморегуляционные функции.

И чтобы сделать это, нужно от чего оттолкнуться. А природа, как мы знаем, является великолепным источником вдохновения. Ученые отмечают, что в дикой природе организмы справились с экологическими проблемами, манипулируя светом с помощью оптических материалов для терморегуляции. Принципиально отличающийся от традиционного текстиля способ управления теплом, специальные поверхности, которые выборочно отражают, поглощают или пропускают излучение в видимом и инфракрасном (ИК) спектре, позволяют некоторым животным выживать в экстремальных условиях. Эта стратегия используется, например, серебристыми муравьями (Cataglyphis bombycina) в Сахаре, белыми медведями (Ursus maritimus) и даже некоторыми видами мотыльков (к примеру, Gynaephora groenlandica) за полярным кругом.


Слева направо: Cataglyphis bombycina, Ursus maritimus и Gynaephora groenlandica.

Одним из широко используемых материалов является меланин — оптически плотный биополимер, состоящий из взаимодействующих со светом сопряженных единиц с высоким показателем преломления и широкополосным поглощением света. Помимо роли в динамическом камуфляже головоногих, меланин также используется в терморегуляции многих видов мотыльков, бабочек и птиц, которые развили обогащенные меланином покрытия крыльев в холодном и солнечном климате.

Такие поверхности могут проявлять селективную функцию в видимом и ближнем инфракрасном (vis-NIR) спектре, где происходит фототермический нагрев, и в инфракрасном (IR), где объекты спонтанно излучают тепло в соответствии с законом Планка. Имеются также убедительные доказательства того, что в условиях чрезвычайно высокой солнечной инсоляции в полярной среде некоторые адаптированные к холоду животные используют изолирующие свойства с низкой оптической плотностью (светлоокрашенные) для достижения биологического парникового эффекта на теле. Например, по сравнению с темными элементами поверхности, светлые поверхности белого медведя и гренландского тюленя пропускают значительно больше излучения к меланизированной коже, улавливая тепло с коэффициентом использования солнечной энергии в диапазоне от 10 до 50%. Такой сбор солнечной энергии поддерживает тепловой гомеостаз за счет доступа к огромному источнику потенциальной энергии с величиной, превышающей 1000 Вт/м², то есть в 10 раз превышающей базовое метаболическое производство тепла обычных эндотермов.

Попытки имитировать природную терморегуляцию уже были. К примеру, покрытие MXenes из оптически активных материалов (углеродные нанотрубки и серебряные нанопроволоки). Также есть Omni-Heat, в котором вкрапления алюминия используются для отражения тепла тела. Эффективность такого покрытия невелика, но все же выше обычного хлопка.

Существенным недостатком этих материалов является отсутствие передающего изолирующего компонента, который подавляет потери тепла в окружающую среду и, следовательно, значительно увеличивает коэффициент использования солнечной энергии. Не говоря уже о том, что такой материал должен быть износостойким, нетоксичным и экологичным.

Сопряженные полимеры представляют собой альтернативный класс мягких материалов с благоприятными свойствами для носимой терморегуляции. Прочные, совместимые с кожей покрытия из таких полимеров на сложных поверхностях, характерных для текстиля, достижимы с помощью окислительного химического осаждения из паровой фазы. Подобно меланину, такие полимеры, как поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), обладают высокой оптической плотностью с электромагнитными свойствами, обусловленными сопряженными pi-pi звеньями. Будучи легкими и гибкими, конъюгированные полимеры также набухают в воде и обладают химической структурой, сходной со структурой оптически активного биополимера меланина.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают созданный ими легкий текстиль, способный управлять светом и теплом. Методология разработки заключается в том, чтобы адаптировать PEDOT в качестве спектрально-селективного покрытия на текстиле для имитации терморегулирующей роли, которую меланин играет во многих организмах, и использовать полупрозрачный верхний текстильный слой, чтобы имитировать мех белого медведя и минимизировать рассеивание тепла, в то же время пропуская свет к нижнему фототермическому слою.

Результаты исследования

Традиционно текстиль изготавливается из ограниченного набора материалов. Натуральные или синтетические волокна прядут и вплетают в толстые ткани, которые препятствуют диффузии тепла между телом и окружающей средой. Как считают ученые, из-за отсутствия подходящих материалов традиционный текстиль в значительной степени упускает из виду управление излучаемым теплом (т. е. энергию, переносимую светом).


Изображение №1

Для данной разработки было целых два источника вдохновения. Первый — это тип структурной окраски у некоторых видов адаптированных к холоду мотыльков и бабочек, который обеспечивает избирательное поглощение видимого ближнего ИК-излучения и подавление теплового (ИК) излучения (1a). В этом случае меланин является оптически активным материалом. Обладая электронно-плотной pi-pi структурой, меланин ведет себя как неупорядоченный органический полупроводник и имеет значительно более высокий показатель преломления, чем большинство биополимеров. Разнообразие донорно-акцепторных единиц обеспечивает широкополосное поглощение света, а высокая оптическая плотность обеспечивает эффекты световой интерференции (ИК-отражение) в покрытиях крыльев, обогащенных меланином.

Вторым источником вдохновения стала шкура белого медведя, которая, являясь ключом к выживанию животного в экстремальных холодах, одновременно обеспечивает высокую термостойкость (R) и высокую степень использования солнечной энергии (1b). Двойная функция возникает из-за определенного набора материалов и оптической структуры. Полые волокна волос, лишенные пигмента меланина, имеют низкую оптическую плотность и эффективно рассеивают свет вперед, обеспечивая фототермический захват меланизированной кожи и препятствуя потере тепла в окружающую среду. Основная оптическая структура шкуры — передатчик-изолятор (прозрачный волос), расположенный над поглотителем (темная кожа) — эффективно улавливает солнечную тепловую энергию для поддержания терморегуляции в условиях сильного холода.

Для имитации вышеописанных адаптационных механизмов ученые разработали двухслойный текстиль с использованием оптических полимерных материалов (1c). Нижний слой представляет собой нейлоновую ткань с прочным покрытием из сопряженного полимера PEDOT, обеспечивающего селективное поглощение видимого света и подавление ИК-излучения. По структуре и функциям мягкий материал PEDOT напоминает меланин. Хотя PEDOT является органическим проводником, он имеет такое же широкополосное поглощение света в ближней инфракрасной области спектра, что и меланин, из-за плазмонного (поверхностного электронного) резонанса около 1000 нм с высокой оптической плотностью (κ). На более длинных волнах в ИК-диапазоне PEDOT является отражателем (слабым излучателем). Таким образом, подобно обогащенной меланином микроструктуре крыльев мотылька, покрытие PEDOT можно использовать для эффективного управления излучательным теплообменом между телом и окружающей средой.

Фототермическое тепло, генерируемое нейлоновым поглотителем PEDOT, дополнительно улавливается верхним слоем полупрозрачной ткани, имитирующей светлый мех полярных животных. Эта легкая ткань (Agribon AG-19) изготовлена из полипропиленовых волокон с низкой оптической плотностью, которые рассеивают видимый свет вперед с коэффициентом пропускания около 85 % и более слабо пропускают инфракрасный свет с коэффициентом пропускания около 60 %. Задерживая солнечное тепло как барьер для диффузии и инфракрасного излучения, AG-19 по существу действует как дышащий материал для парника. Диаметр волокна находится в диапазоне 9–10 микрон, что сравнимо с длиной волны ИК-излучения и, таким образом, способно к рассеянию Ми для улавливания ИК-излучения (1e). Наряду со спектрально-селективной нейлоновой тканью PEDOT передающий слой ткани работает иначе, чем традиционный текстиль, и может обеспечить высокоэффективную терморегуляцию.


Изображение №2

Нанесение PEDOT толщиной в один микрон на нейлоновую ткань резко меняло оптические свойства поверхности из-за высокой оптической плотности PEDOT (2a). Под обычной лампочкой ткань с покрытием поглощает больше фототермической энергии по сравнению с отражающим нейлоном без покрытия. Над источником ИК-излучения (человеческим телом) ткань с покрытием излучает меньше тепловой энергии (кажется более холодной), чем поверхность нейлона без покрытия с высоким коэффициентом излучения. Эти эффекты количественно представлены на 2b, где коэффициенты излучения ткани с покрытием (синий) и ткани без покрытия (черный) представлены в зависимости от длины волны. Нейлоновая ткань без покрытия демонстрирует поведение, типичное для традиционных тканей: низкий коэффициент излучения (поглощение) в видимом и высокий коэффициент излучения в ИК-диапазоне. С покрытием PEDOT это оптическое поведение меняется на противоположное, и ткань ведет себя больше как фототермический поглотитель.


Изображение №3

Имея возможность контролировать оптические свойства ткани, ученые провели оценку терморегулирующих характеристик набора традиционных и нетрадиционных тканей. По словам ученых, простой способ концептуализировать эту задачу — рассмотреть самую низкую температуру, при которой определенный текстиль может поддерживать тепловой комфорт пользователя. Следовательно, более теплые ткани необходимы для более холодных условий (3a). В частности, ткань должна ограничивать потерю тепла тела (~ 75 Вт/м² для среднестатистического взрослого человека в состоянии покоя) в окружающую среду, чтобы поддерживать комфортную температуру кожи (33 °C) в постоянном состоянии. Исключая такие факторы, как охлаждение ветром и влажность, этот сценарий моделировался в камере, изображенной на 3b.

Для каждого образца ткани температура кожного нагревателя с постоянной мощностью контролировалась контроллером, который снижал температуру окружающей среды до тех пор, пока не был достигнут тепловой комфорт (T_skin = 33 °C) в установившемся режиме. Были протестированы нейлон без покрытия и с покрытием PEDOT, а также ряд традиционных и нетрадиционных текстилей (3c). Образец хлопковой ткани (джерси) представлял собой типичный материал для футболок, а образец хлопковой махровой ткани является типичным для верхней одежды. К числу нетрадиционных тканей относились Omni-Heat и AG-19. Ткань Omni-Heat испытывается отражающей стороной вверх (R up) и вниз (R down). AG-19 удерживался на пластиковой раме толщиной 5 мм для единообразия измерений.

Низкотемпературные характеристики текстиля были измерены в климатической камере (3d). Ткани с низким коэффициентом излучения — PEDOT-нейлон и Omni-Heat (R up) — работали так же, как ткань из хлопка джерси. Более толстая хлопковая махра и ткань AG-19 обеспечивали лучшую теплоизоляцию и имели более низкие рейтинги температуры окружающей среды в диапазоне 18 °C. Но при умеренном освещении 130 Вт/м² характеристики образцов текстиля варьируются в более широких пределах.

В то время как ткани PEDOT-нейлон и Omni-Heat (R up) работали одинаково в темных условиях из-за сопоставимых значений коэффициента теплового излучения, ткань PEDOT-нейлон имела более высокое поглощение видимого света и поэтому работала значительно лучше (9.6°C по сравнению с 11.5°C) при освещении.

По сравнению с PEDOT, другие ткани с металлическим покрытием могут плохо нагреваться солнечным светом из-за более высоких резонансных частот (в УФ-видимом диапазоне) используемых металлов, таких как алюминий и серебро. По отдельности AG-19 также хорошо работает (8.2 °C), но при объединении в структуру поглотителя-передатчика дополнительные оптические функции PEDOT-нейлона и AG-19 дают более выраженный эффект нагрева. Двухслойный текстиль имеет номинальную температуру на 10 °C ниже, чем ткань из хлопка джерси (4.2 °C против 14.1 °C), при этом весит на 30% меньше. С дополнительным слоем AG-19 характеристики улучшаются более скромно (до 2.9 °C). Это свидетельствует о том, что игнорирование солнечной энергии (светопропускания) ради теплоизоляции становится менее благоприятным для терморегуляции.

Использование температурного режима хлопка в качестве основы для других измерений позволяет сравнить характеристики текстиля как в светлых, так и в темных условиях (3f). В то время как толстая изолирующая хлопковая махровая ткань показывает хорошие характеристики в темных условиях (+1.6 °C по сравнению с обычным хлопком), она имеет относительно слабые характеристики в условиях освещения (+1.3 °C). А вот разработанный двухслойный текстиль показал отличные результаты как в темных (+2.7 °C), так и в светлых (+9.9 °C) условиях благодаря изолирующему, но светопропускающему слою AG-19.


Изображение №4

На следующем этапе исследования было проведено моделирование терморегуляции ткани при освещении. Для простоты ученые решили рассмотреть обычную систему, состоящую из поглотителя, которая из-за широкой прозрачности передающего слоя в инфракрасном и видимом диапазонах также может влиять на конструкцию двухслойного текстиля. Модель теплопередачи системы кожа-текстиль включает падающее излучение (130 Вт/м²) и коэффициент естественной конвекции, который изменяется в зависимости от разницы температур кожи и окружающей среды (4a). Результаты моделирования показаны на 4b.

При 130 Вт/м² зависимость температуры окружающей среды от поглощения солнечной энергии примерно сравнима с зависимостью коэффициента теплового излучения. Однако при большей освещенности (325 Вт/м²) преобладающим фактором становится поглощение солнечного излучения.

Чтобы понять реалистичное использование солнечного света, человеческое тело аппроксимировалось как вертикальный цилиндр, а нормальное падающее излучение на общую площадь поверхности (обычно 1.8 м² для взрослого человека) рассчитывалось в течение года, предполагая, что половина тела освещена.

Для индивидуального нагрева на солнечной энергии удобным совпадением является то, что самый холодный сезон может соответствовать максимальному солнечному излучению на вертикальном теле из-за уменьшенной высоты солнца. Например, в Бостоне (США, штат Массачусетс) расчетная освещенность тела прямыми солнечными лучами увеличивается примерно с 108 Вт/м² в день летнего солнцестояния до примерно 325 Вт/м² в день зимнего солнцестояния. Наличие снежных полей также может резко увеличить общие значения солнечной инсоляции, как в случае с полярными средами, что может еще больше удвоить вклад падающей солнечной энергии. Таким образом, при комбинированном освещении поверхности тела в 650 Вт/м² доступная солнечная тепловая мощность в зимнее время в высоких широтах может быть в 10 раз больше, чем тепло тела умеренно активного взрослого человека (70–120 Вт/м²).

Стоит отметить, что громоздкость и непрозрачность зимней верхней одежды обеспечивает низкое использование данного источника энергии, о чем свидетельствует продемонстрированный выше слабый солнечный нагрев толстой хлопковой махры. С другой стороны, двухслойная ткань использует солнечный свет, чтобы обеспечить значительный нагрев. При излучении в 650 Вт/м² разработанная двухслойная ткань способна поддерживать нормальный температурный гомеостаз даже при температуре окружающей среды в -28 °C.


Изображение №5

Повседневная одежда должна не только выполнять функцию терморегуляции, но и быть удобной, а также износостойкой. Представленные выше оптически активные текстильные изделия также были оценены на предмет этих функций.

Несмотря на то, что ткань AG-19 является нетканой, она обладает многими знакомыми текстильными качествами, которые делают ее пригодной для изготовления одежды. Нетканый материал имеет драпировку, аналогичную традиционному тканому текстилю (5a), и его можно сшивать и гладить без повреждений.

Ученые сшили два слоя AG-19 и разгладили складки, сформировав изолирующую перегородку. Затем к низу пришивался PEDOT-нейлон для завершения конструкции солнечного термотекстиля (5b). Полученный материал оказался весьма стойким и выдержал три цикла стирки с использованием обычного стирального порошка, а также два часа непрерывного воздействия излучения в 130 Вт/м² (5c). Оптическая микроскопия PEDOT покрытия после стирки показала небольшое изменение цвета и отсутствие каких-либо нарушений механической стабильности пленок. Испытание на пропускание водяного пара через AG-19/PEDOT показало, что этот двухслойный материал является таким же воздухопроницаемым, как и другие ткани, использованные в исследовании (5d).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о созданном ими текстильном материале, способном использовать солнечный свет для более эффективного обогрева.

Вдохновением для данной разработки были полярные мотыльки и белые медведи. Особенно интересен мех медведей, ведь его отдельные волоски практически полые и прозрачные, а под ними располагается темная кожа животного. Следовательно, основной механизм сохранения тепла у полярных мишек заключается не в изоляции, а в поглощении солнечной энергии. Мех служит своеобразным проводником, который передает солнечную энергию к поглощающей ее коже.

Взяв за основу это наблюдение, ученые создали двухслойную ткань, верхний слой которой состоит из нитей, проводящих видимый свет к нижнему слою, сделанному из нейлона и покрытому темным материалом под названием PEDOT. PEDOT, как и шкура белого медведя, эффективно согревает.

Сравнительный анализ показал, что двухслойный материал, будучи на 30% легче хлопка, способен обеспечивать комфорт при температуре на 10 градусов ниже, чем куртка из обычного хлопка. Главное, чтобы было хорошее солнечное излучение.

Ученые считают, что их разработка может применяться не только для создания верхней одежды, которую можно носить на улице. Усовершенствовав данный материал можно добиться эффективного обогрева тела даже от искусственных источников света внутри помещений. А это может привести к экономии энергоресурсов на отоплении помещений, так как у человека на теле будет одежда, выполняющая роль индивидуального обогревателя. Конечно, подобные идеи требуют доработок, так как необходимо учитывать множество сопутствующих факторов. Тем не менее на данном этапе исследования детище ученых уже выглядит весьма многообещающе.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?