Искусственная шерсть белого медведя сделала кролика невидимым для тепловизора
Китайские ученые создали эффективную термоизоляционную ткань, состоящую из пористых фиброиновых волокон, аналогичных по своей структуре волоскам шерсти белых медведей. Протяженные полости, ориентированные вдоль волокон, приводят к теплоизоляции как при отрицательных, так и при относительно высоких положительных температурах. Разработку протестировали на кролике, которого прикрывали тканью и снимали на тепловую камеру, говорится в статье в Advanced Materials.
Известно, что полярные животные, живущие в условиях постоянного холода, в частности, белые медведи, способны очень долго и эффективно сохранять тепло. Помогает им в этом полая структура волосков их шерсти. Толщина одного волоска составляет около 100 микрометров, при этом в его центре находится полость диаметром около 40 микрометров. Эти полости в середине каждого волоса сильно снижают теплопроводность шерсти, и делают из нее эффективный термоизолятор. Термоизоляционные свойства шерсти белых медведей настолько хороши, что иногда их не удается увидеть даже с помощью тепловых инфракрасных камер.
Китайские ученые из Чжэцзянского университета под руководством Хао Бая (Hao Bai) решили использовать аналогичную структуру волокон для создания синтетической термоизоляционной ткани. Для этого авторы работы использовали волокна, полученные из фиброина — белка, выделяемого насекомыми, из которого состоит, например, шелк.
Для получения волокон с нужной структурой ученые использовали методику «freeze-spinning»: тонкая струя вязкого водного раствора, медленно вытекающая из резервуара, проходила через область пониженной температуры, в результате чего в ней запускался процесс направленного роста кристаллов льда. Замороженное волокно аккуратно собиралось, после чего размораживалось и высушивалось таким образом, чтобы сохранилась нужная структура пор.
Условия синтеза выбирались таким образом, чтобы скорость вытекания равнялась скорости кристаллизации и фронт кристаллизации все время находился на одной высоте. В результате этого ученые смогли получить волокна из фиброина толщиной около от 100 до 300 микрометров, в которых полости направлены вдоль оси волокна.
Авторы работы отмечают, что условия получения волокон очень чувствительны к условиям синтеза, поэтому при различных температурах синтеза можно изменять размер пор от 20 до 80 микрометров или вообще получать волокна с разупорядоченной системой полостей. Из полученных таким образом волокон ученые сплели ткань, которую затем проверили на возможность использования в качестве термоизоляционного материала.
Оказалось, что минимальной потери тепла удается добиться с помощью волокон с порами толщиной около 20 микрон. При этом эффективно работает такая ткань как при отрицательных температурах (до −20 градусов Цельсия), так и при положительных (до 80 градусов). Для увеличения эффективности теплоизоляции ученые также предложили делать многослойные ткани.
Чтобы показать, что такую ткань можно использовать для получения теплоизолирующей одежды, авторы работы провели эксперимент с кроликом. Тело животного накрыли небольшим кусочком полученной пористой ткани и измерили температуру поверхности его покрытого тела с помощью тепловой инфракрасной камеры. Полученные тепловые карты ученые сравнили с тепловыми изображениями кролика, покрытого обычной синтетической тканью и не покрытого ничем. Эксперимент провели при комнатной температуре, и повторили при 40 градусах Цельсия и −10 градусах Цельсия. В отличие от двух сравнительных экспериментов, тело кролика, покрытое одеялом из исследуемой пористой ткани, при всех температурах оставалось практически полностью невидимым для тепловых камер.
При этом материал может не только использоваться в качестве теплоизолятора, но и служить в качестве самостоятельного источника тепла — для этого в структуру волокон нужно добавить углеродные нанотрубки. Если к такой ткани с нанотрубками приложить электрическое напряжение от 1 до 5 вольт, то ее температуру можно поднять до 30-35 градусов Цельсия.
Авторы работы отмечают, что пористая структура волокон, которая не позволяет рассеиваться теплу, при этом не снижает механические свойства ткани, позволяя ей «дышать» и не понижает ее износостойкость. Поэтому в будущем такую ткань вполне можно использовать для производства обычной одежды. Ученые отмечают, что по предварительным оценкам использование таких тканей может примерно на 50 процентов сократить потребление энергии, связанное с обогревом.
Если в холодных условиях нужна ткань, позволяющая сохранять тепло, то при жаркой погоде, наоборот, требуются материалы, способные эффективно его отводить. Для создания таких материалов в них добавляют вещества, которые не понижают, а, наоборот, увеличивают теплопроводность. Разрабатываются и двусторонние ткани, которые могут или рассеивать, или сохранять тепло в зависимости от того, какой стороной они будут ближе к коже. При этом терморегуляцию можно осуществлять не только с помощью материала ткани, из которой делается одежда, но и другими способами. Например, группа американских разработчиков запустила в производство персональный термостат, который крепится в виде браслета на руке и помогает справиться с ощущением жары или холода за счет быстрого изменения температуры.
Александр Дубов