Бельгийские физики спроектировали ткань, одежда из которой может быть теплой или очень легкой в зависимости от того, какой стороной она надета. Такая двоякая терморегуляция достигается за счет большой разницы между излучательными свойствами разных сторон ткани. Расчеты показали, что одежда из предложенного материала позволит поддерживать комфорт в диапазоне температур воздуха от 11,3 до 24,4 градуса Цельсия. Исследование опубликовано в Physical Review Applied, кратко о нем пишет Physics.
Излучение человеческим телом тепла — это один из самых интенсивных путей теплопередачи в окружающее пространство. Для малоподвижного человека, находящегося в помещении, на излучение приходится до половины всех теплопотерь его тела, за остальное ответственны теплопроводность и конвекция. Наша кожа нагревается за счет метаболических процессов в организме и излучает преимущественно чернотельный спектр с максимумом в точке с длиной волны около 10 микрон. Контролируя оптические свойства ткани в этом диапазоне, мы можем управлять терморегуляцией.
Все материалы могут поглощать, пропускать и отражать излучение. При этом для случая термодинамического равновесия выполняется закон Кирхгофа, который гласит, что чем лучше тело поглощает, тем лучше оно излучает. Следовательно, если мы хотим, чтобы ткань охотнее отдавала тепло в окружающую среду, нам нужно сделать ее хорошо поглощающей, и наоборот. Если же мы соединим две ткани с противоположными поглощающими способностями, то объединенная ткань будет обладать разными терморегулирующими свойствами в зависимости от того, какой стороной она обращена к телу.
Мулуне Абебе (Muluneh Abebe) с коллегами из университета Монса предложили концепцию волокнистой ткани, которая обладает именно такими характеристиками. Для управления излучающей способностью сторон физики оптимизировали как геометрические свойства компонентов ткани, так и выбор материалов для их изготовления.
Авторы предложили в обоих случаях использовать структуры, представляющие собой периодические массивы волокон. Для отражающего слоя они предложили делать их из металла, а для поглощающего — из диэлектрика. Последний должен обладать хорошим поглощением в диапазоне от 4 до 25 микрон, а также подходящими механическими свойствами, поэтому авторы остановили свой выбор на карбиде кремния.
Исследователи построили численную модель такой композитной ткани. Сначала они проводили анализ пропускания, отражения и поглощения каждого из слоев ткани. Затем физики строили полную тепловую модель теплопередачи через ткань, опираясь на оптические свойства компонентов. Для первой задачи они численно решали уравнения Максвелла методом конечных элементов. При этом выяснилось, что металлические волокна должны скрещиваться, чтобы обеспечить достаточное отражение обеих поляризаций. На втором этапе авторы применили формализм, который заменяет задачу о теплопереносе эквивалентной электрической цепью. Роль напряжения при этом играет разница температур, а роль тока заряда — ток тепла.
В результате физики определили, что, если принять диапазон комфортной температуры равным 19-23 градуса Цельсия, то одежда из предложенной ими ткани сможет поддерживать комфорт в диапазоне температуры воздуха от 11,3 до 24,4 градуса Цельсия. По этим характеристикам их ткань превосходит многие известные материалы с двойной терморегуляцией.
Создание новых тканей для «умной» одежды — это бурно развивающееся направление науки. Мы уже рассказывали, как ученые и инженеры расширяют функциональность одежды с помощью генераторов электричества и бактерий.
Марат Хамадеев