Учёные из Китая создали охлаждающую ткань на основе «зеркальной» технологии
Индустрия одежды и обуви, на которую сегодня по всему миру тратятся миллиарды долларов, зародилась из простой человеческой потребности в тепле. На протяжении всей истории люди искали и изобретали всё новые материалы, которые должны были их согреть.
Вместе с тем в регионах, расположенных ближе к экватору, гораздо более актуальна противоположная проблема. И оказывается, что создать одежду, которая согреет, довольно легко, по сравнению с одеждой, которая сохранит прохладу в знойный летний день.
Сегодня учёные обратили внимание на новую тему и разработали ткань, которая может охладить тело почти на 5°C. Предполагается, что в случае запуска нового материала в массовое производство эта технология поможет людям во всём мире защитить себя от повышения температуры, вызванного климатическими изменениями.
Для создания одежды, отражающей солнечный свет, модельеры обычно используют светлые ткани. Другой метод позволяет отражать электромагнитное излучение Солнца, включая ультрафиолетовое (УФ) и ближнее инфракрасное излучение (БИК). БИК нагревает объекты, которые его поглощают, и медленно охлаждает объекты, которые отдают его обратно во внешнюю среду. Однако этому процессу охлаждения препятствует наша атмосфера: излучение в ближнем инфракрасном диапазоне часто поглощается близко расположенными к объекту молекулами воды, нагревая окружающий его воздух.
Чтобы ускорить процесс охлаждения, исследователи обращаются к среднему инфракрасному излучению (СИК) – типу инфракрасного излучения с более длинными волнами. Вместо того чтобы поглощаться молекулами окружающего воздуха, энергия СИК уходит прямо в космос, охлаждая как объекты, так и их окружение. Этот метод известен как радиационное охлаждение, и инженеры использовали его в течение последнего десятилетия для проектирования крыш, пластиковых плёнок, деревянных конструкций и ультрабелых красок.
Человеческая кожа, в отличие от многих видов одежды, естественным образом излучает СИК. В 2017 году исследователи из Стэнфордского университета разработали ткань, которая пропускает насквозь СИК из человеческого тела, охлаждая его в среднем на 3°C. Однако для эффективной работы ткань должна была быть очень тонкой — всего 45 мкм, что почти втрое тоньше лёгкой льняной классической ткани. Это вызывало сомнения в прочности нового материала.
При разработке более плотной и прочной ткани инженеры Ма Яогуанг из Чжэцзянского университета и Тао Гуанмин из Хуачжунского университета науки и технологий использовали другой подход. Как сообщает журнал Science, вместо того чтобы пропускать СИК из кожи прямо через их ткань, они и их коллеги разработали ткань, в которой используются химические связи для поглощения тепла тела и повторного излучения его энергии в космос в виде СИК. Ткань толщиной 550 мкм, изготовленная из смеси полилактида и синтетических волокон с наночастицами диоксида титана, рассеянными повсюду, также отражает ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный свет, дополнительно охлаждая пользователя. Несмотря на то, что она выглядит как обычная ткань, с точки зрения оптики это зеркало.
Чтобы проверить свое изобретение, исследователи собрали плотный жилет, половина которого была сделана из новой ткани, а другая половина – из белого хлопка примерно такой же толщины. Аспирант надел жилет и просидел в шезлонге под прямыми солнечными лучами в течение целого часа. Когда исследователи измерили температуру его кожи, сторона под новой тканью была почти на 5°C холоднее, чем сторона под хлопком. Этот контраст был отчётливо виден через инфракрасную камеру, и, по словам Тао Гуанмина, аспирант также чувствовал разницу температур.
И Цуй, учёный-материаловед из Стэнфорда, который руководил предыдущей работой и чья лаборатория продолжала работать над прозрачными тканями в среднем инфракрасном диапазоне, назвал разработку интересной, но отметил, что, поскольку технология СИК до сих пор использовалась только на неподвижных поверхностях, которые постоянно обращены к небу, авторы новой работы должны также измерить, насколько хорошо их ткань остывает, когда люди стоят или ходят. Кроме того, пока не ясно, работает ли ткань в вещах свободного покроя, поскольку её охлаждающий эффект напрямую зависит от плотного контакта с кожей.
Эвелин Ван, инженер-механик из Массачусетского технологического института, разделяет сомнения И Цуя, но добавляет, что новая разработка говорит о существенном прогрессе в области радиационного охлаждения. Новый подход, по её мнению, может позволить использовать широкий спектр материалов, больше похожих на хлопок, что важно для конечного потребителя.
В настоящий момент Ма Яогуанг и Тао Гуанмин обращаются к производителям текстиля и одежды, чтобы те попробовали использовать их новую ткань в производстве. Они говорят, что ткань с добавлением наноматериалов должна увеличить обычные затраты производителей всего на 10%.
«Мы можем запустить массовое производство, а это значит, что каждый сможет получить такую футболку… И её стоимость будет примерно такой же, как у старых вещей. Это может принести пользу всем».
На фото: новый материал (справа) значительно снижает тепло тела по сравнению с обычным хлопком (слева), как видно на этом инфракрасном изображении. S. ZHENG, Science (2021)
