werktuigbouwkundigen en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Virginia, in samenwerking met materiaalwetenschappers van Penn State, de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards and Technology, hebben een "schakeleffect" uitgevonden voor thermische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen die kunnen worden opgenomen in de fabricage van materialen, waaronder textiel en kleding.

Door gebruik te maken van warmtetransportprincipes in combinatie met een biopolymeer geïnspireerd op inktvisringtanden, het team bestudeerde een materiaal dat zijn thermische eigenschappen dynamisch kan regelen - heen en weer schakelen tussen isoleren en koelen - op basis van de hoeveelheid water die aanwezig is.

De uitvinding is veelbelovend voor allerlei nieuwe apparaten en materialen met de mogelijkheid om de temperatuur en warmtestroom naar behoefte te regelen, inclusief de "slimme" stoffen.

"Het schakeleffect van thermische geleidbaarheid zou ideaal zijn voor veel toepassingen, inclusief atletiek, " zei John Tomko, een doctoraat kandidaat bij UVA's Department of Materials Science &Engineering en hoofdauteur van een artikel over de uitvinding dat deze week is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie . "Dit materiaal heeft de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in actieve kleding, het ontketenen van de mogelijkheid van kleding die dynamisch kan reageren op lichaamswarmte en de temperatuur kan reguleren. Bijvoorbeeld, het biopolymeer heeft een lage thermische geleidbaarheid terwijl het droog is, in wezen lichaamswarmte opslaan en de atleet (en zijn of haar spieren!) warm houden terwijl hij niet actief is. Zodra de drager begint te zweten, het materiaal kan gehydrateerd raken en onmiddellijk de thermische geleidbaarheid verhogen, deze lichaamswarmte door het materiaal te laten ontsnappen en de atleet af te laten koelen. Als de persoon klaar is met trainen en het zweet is verdampt, het materiaal kan teruggaan naar een isolerende staat en de drager weer warm houden.

"En hoewel het misschien zeer gespecialiseerd klinkt en alleen voor professionele atleten, het zou even nuttig zijn vanuit het perspectief van een kledingbedrijf, " zei Tomko, wiens onderzoek wordt uitgevoerd als onderdeel van de ExSite Group onder leiding van professor Patrick Hopkins van UVA's afdelingen Mechanical &Aerospace Engineering, Materiaalkunde &Engineering en Natuurkunde.

De kledingstukken die met deze technologie zijn gemaakt, zouden een stap verder zijn dan wat er tegenwoordig op de markt verkrijgbaar is vanwege het extreem brede scala aan technische mogelijkheden van de materialen. Bijvoorbeeld, polar fleece vereist over het algemeen verschillende gewichten om verschillende combinaties van temperaturen en activiteitsniveaus aan te kunnen. Het nieuwe materiaal kon het hele scala aan atletische scenario's in één kledingstuk accommoderen. Fleece wordt als ademend beschouwd, een passieve toestand, maar het biopolymeermateriaal zou de warmte actief uit het kledingstuk geleiden.

"Terwijl het realiseren van thermisch en mechanisch slimme stoffen een belangrijke stap vooruit is in dit werk, het vermogen om zo'n grote en omkeerbare wijziging in de thermische geleidbaarheid van een materiaal 'on-demand' te bieden, heeft potentiële baanbrekende toepassingen, " zei Hopkins, Tomko's Ph.D. adviseur en co-lead van deze onderzoeksinspanning met professor Melik Demirel van Penn State. "De thermische geleidbaarheid van materialen wordt doorgaans beschouwd als een statisch, intrinsieke eigenschap van een materiaal. Wat we hebben laten zien, is dat je de thermische geleidbaarheid van een materiaal kunt 'schakelen' op een vergelijkbare manier als je een gloeilamp aan en uit zou doen via een schakelaar aan de muur, alleen in plaats van elektriciteit te gebruiken, we kunnen water gebruiken om deze schakelaar te maken. Dit zorgt voor dynamische en controleerbare manieren om de temperatuur en/of warmtestroom van materialen en apparaten te regelen.

"De omvang van deze aan/uit thermische geleidbaarheidsverhouding is groot genoeg waar we ons nu toepassingen kunnen voorstellen, waaronder niet alleen slimme stoffen, maar ook efficiëntere recycling van verloren warmte om elektriciteit op te wekken, zelfthermisch regelende elektrische apparaten maken, of het creëren van nieuwe wegen voor de productie van wind- en waterkracht."

Het proces van het maken van "programmeerbare" materialen kan goed nieuws zijn voor fabrikanten en het milieu. Meestal zijn textielbedrijven afhankelijk van verschillende soorten vezels en verschillende productieprocessen om kleding te maken met verschillende attributen, maar het afstembare aspect van deze materialen betekent dat isolerende en koelende eigenschappen kunnen worden gecreëerd vanuit hetzelfde proces. Dit kan leiden tot lagere productiekosten en minder CO2-uitstoot.

Inktvis ring tanden, die programmeerbare materialen mogelijk maken, zijn een inspirerende nieuwe weg van wetenschappelijk onderzoek die voor het eerst werd ontdekt in Penn State. Deze biomaterialen bevatten unieke eigenschappen zoals sterkte, zelfgenezing en biocompatibiliteit, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor programmering op moleculair niveau, in dit geval voor thermische regeling. Dit is nog meer goed nieuws voor het milieu, omdat ze kunnen worden gewonnen uit de zuignappen van inktvissen of synthetisch kunnen worden geproduceerd via industriële fermentatie, beide duurzame bronnen.

De medewerkers van Tomko en Hopkins aan het onderzoek zijn Abdon Pena-Francesch, voormalig Ph.D. student aan Penn State en nu een von Humboldt Fellow aan het Max Planck Institute in Stuttgart, Duitsland; Huihun Jung, een promovendus in technische wetenschappen en mechanica aan Penn State; Madhusudan Tyagi een onderzoeker bij de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards and Technology; Benjamin D. Allen, assistent-onderzoeksprofessor biochemie en moleculaire biologie aan Penn State; en Demirel, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica en directeur, Centrum voor onderzoek naar geavanceerde vezeltechnologieën in Penn State.

"De schoonheid en unieke kracht van neutronenverstrooiing heeft ons geholpen de puzzel op te lossen over hoe tandem repeat-eenheden de waargenomen thermische geleidbaarheid in gehydrateerde monsters echt beïnvloeden, omdat zwaar water gewoon 'onzichtbaar' wordt voor neutronen! We ontdekten dat de verhoogde en 'veranderde' dynamiek van amorfe strengen, eigenlijk, verantwoordelijk voor deze verhoogde thermische geleidbaarheid in gehydrateerde monsters, " zei Tyagi van de Universiteit van Maryland. "Ik geloof dat dit onderzoek de manier zal veranderen waarop we thermische eigenschappen van zachte materie bestuderen, met name eiwitten en polymeren, het gebruik van neutronen als typisch harde gecondenseerde materie is waar het meeste werk in dit opzicht wordt gedaan."

Tomko en collega UVA Engineering-onderzoekers, samen met afgestudeerde studenten van UVA's Darden School of Business, won dit voorjaar de eerste plaats in een wedstrijd voor outdoorkledingbedrijven in Patagonië om de beste ideeën te bepalen voor het bereiken van koolstofneutraliteit. De productie van grondstoffen is verantwoordelijk voor ongeveer 80 procent van de totale CO2-uitstoot van Patagonië, grotendeels toegeschreven aan de productie van polyesterweefsels op basis van fossiele brandstoffen. Het UVA-team stelde voor dat het bedrijf overstapt op biopolymeertextiel, die uitsluitend uit hernieuwbare bronnen kan worden gemaakt. De nieuwe materialen zouden er beter uitzien en beter functioneren dan alternatieven van polyester en wol zonder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen.