Описывая свою работу в недавнем выпуске журнала Science, журнала Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS), исследователи предположили, что это новое семейство тканей может стать основой для одежды, которая сохраняет прохладу в жарком климате без кондиционирования воздуха. .«Если вы можете охладить человека, а не здание, в котором он работает или живет, это сэкономит энергию», — сказал И Цуй, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете и фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, а также главный исследователь исследования.Новый материал работает, позволяя телу отводить тепло двумя способами, что заставляет пользователя чувствовать себя почти на 4 градуса по Фаренгейту холоднее, чем если бы он носил хлопковую одежду.Материал охлаждается, позволяя испаряться испарению пота, что уже происходит с обычными тканями.
Но материал Stanford обеспечивает второй, революционный механизм охлаждения: позволяя теплу, которое излучает тело в виде инфракрасного излучения, проходить через пластиковый текстиль.Все объекты, в том числе наши тела, испускают тепло в виде инфракрасного излучения, невидимой и мягкой длины волны света.
Одеяла согревают нас, задерживая инфракрасное тепловое излучение рядом с телом. Это тепловое излучение, исходящее от наших тел, делает нас видимыми в темноте через очки ночного видения.«От 40 до 60 процентов тепла нашего тела рассеивается в виде инфракрасного излучения, когда мы сидим в офисе», — сказал Шанхуэй Фань, соавтор исследования и профессор электротехники, специализирующийся на фотонике, которая является исследованием видимого света. и невидимый свет. «Но до сих пор практически не проводилось исследований по разработке характеристик теплового излучения текстильных материалов».Сверхмощная кухонная пленка
В исследовании сочетались компьютерное моделирование, нанотехнологии, фотоника и химия, чтобы дать полиэтилену — прозрачному, липкому пластику, который мы используем в качестве кухонной пленки — ряд характеристик, желательных для материала одежды: он позволяет тепловому излучению, воздуху и водяному пару проходить сквозь него. и непрозрачен для видимого света.Самым простым атрибутом было пропускание инфракрасного излучения через материал, потому что это характерно для обычной полиэтиленовой пищевой пленки.
Конечно, кухонный пластик непроницаем для воды и прозрачен, что делает его бесполезным в качестве одежды.Исследователи из Стэнфорда устраняли эти недостатки по очереди. В качестве начального шага они создали компьютерные модели, отражающие оптические свойства нанопористого полиэтилена.
Моделирование проводилось на локальном вычислительном кластере в Стэнфорде, в дополнение к суперкомпьютеру SDSC Comet и Stampede в Техасском центре передовых вычислений при Техасском университете в Остине. Полученные модели охватывают широкий оптический диапазон длин волн, от видимого до инфракрасного.
«Регулируя множество параметров, мы смогли определить диапазон размеров пор, нанопоры, которые лучше всего подходят для использования в текстиле, которые являются очень непрозрачными на вид и в то же время очень прозрачными в тепловом диапазоне длин волн», сказал Фан.«Решение проблемы распространения электромагнитных волн в больших трехмерных структурах требует больших вычислений и может быть выполнено только на высокопроизводительных компьютерах», — добавил он. «В противном случае это заняло бы слишком много времени.
Большая разделяемая память в кластере Comet была весьма полезна для кода, который мы использовали».Используя свои компьютерные модели в качестве руководства, исследователи обнаружили вариант полиэтилена, который обычно используется в производстве батарей, который имеет специфическую наноструктуру, непрозрачную для видимого света, но прозрачную для инфракрасного излучения, которое может выводить тепло тела. Это обеспечило базовый материал, который был непрозрачным для видимого света из соображений скромности, но термически прозрачным для целей энергоэффективности.
Затем они модифицировали промышленный полиэтилен, обработав его доброкачественными химическими веществами, чтобы молекулы водяного пара могли испаряться через нанопоры в пластике, сказал доктор наук и член команды По-Чун Сюй, позволяя пластику дышать, как натуральное волокно.Больше цветов, больше текстур, больше тканиЭтот успех дал исследователям однослойный материал, который отвечал трем основным критериям охлаждающей ткани. Чтобы сделать этот тонкий материал более похожим на ткань, они создали трехслойную версию: два листа обработанного полиэтилена, разделенных хлопковой сеткой для прочности и толщины.
Чтобы проверить охлаждающий потенциал своей трехслойной конструкции по сравнению с хлопковой тканью сопоставимой толщины, они поместили небольшой образец каждого материала на поверхность, которая была такой же теплой, как голая кожа, и измерили, сколько тепла улавливает каждый материал.«Ношение чего-либо задерживает тепло и согревает кожу», — сказал Фан. «Если бы рассеивание теплового излучения было нашей единственной заботой, тогда было бы лучше ничего не носить».Сравнение показало, что хлопковая ткань делает поверхность кожи на 3,6 F теплее, чем охлаждающая ткань.
Исследователи заявили, что это различие означает, что человек, одетый в новую одежду, может быть менее склонен включать вентилятор или кондиционер.Исследователи продолжают свою работу по нескольким направлениям, включая добавление дополнительных цветов, текстур и характеристик ткани к своему материалу. Адаптация материала, который уже массово производится для аккумуляторной промышленности, может упростить создание продуктов.
«Мы полностью ожидаем, что высокопроизводительные компьютеры окажут решающую помощь в наших следующих моделированиях, включающих более масштабные и более сложные структуры», — сказал Алекс Сонг, научный сотрудник Стэнфордского университета, который провел электромагнитное моделирование этих волоконных структур.