Китайським і американським матеріалознавцям вдалося підвищити несприйнятливість шовку до нагрівання під сонячними променями завдяки обробці наночастинками оксиду алюмінію. Температура покритої обробленою тканиною штучної шкіри виявилася на 12,5 градусів Цельсію нижчою порівняно із тканиною з бавовни, а сам модифікований шовк виявився на 3,5 градуси прохолоднішим за середовище під впливом сонячного світла. Новий підхід до пасивного охолодження вчені представили у Nature Nanotechnology.
Bin Zhu et al. / Nature Nanotechnology, 2021
Що ткали дослідники?
На системи охолодження температури приходиться понад 15 відсотків енергоспоживання у світі, що тільки посилює антропогенний вплив на зміни клімату та при цьому не розв'язує проблему. Через системи кондиціонування у тому числі, міста перетворюються на теплові острови та сприяють викидам парникових газів і порушеною нормальної атмосферної циркуляції.
Тому останнім часом велика кількість досліджень зосереджена на способах пасивного охолодження, які не потребують витрат електроенергії. Так, наприклад, охолоджуючі тротуари з високою відбивальною здатністю охолодили на два градуси Бостон і Фінікс. А індивідуальний контроль температури пропонують перекласти на звичайний одяг, який, як посередник між людським тілом та навколишнім середовищем, допоможе змінити теплообмін з вулицею на нашу користь.
І у своїй роботі китайсько-американська команда матеріалознавців університетів Нанджунга та Стенфорда взялася шукати матеріал, який зможе охолодити вас до температури навіть нижчої, ніж навколишнє середовище.
Як охолодитися у сорочці?
Більшість робіт, у яких тканинам відводять роль індивідуальних охолоджувачів, зосереджені на тому, щоб відводити тепло людського тіла в навколишнє середовище за допомогою прозорих для інфрачервоного випромінювання тканин. Так з'являються нові «метатканини», де звичні нам матеріали, як-то шовк чи бавовну, доповнюють наночастинками матеріалів, які мають набагато кращі оптичні характеристики. Втім, нагріта сонцем вулиця через закони термодинаміки, забороняє навіть таким модифікованим матеріалам охолоджуватися нижче температури назовні.
Тому дослідники намагаються створити тканини, здатні до так званого радіаційного охолодження - охолодження за рахунок теплового випромінювання (radiative cooling). Якщо ваш матеріал має високий коефіцієнт відбиття сонячних променів та при цьому здатен добре пропускати інфрачервоне випромінювання (відводити власне тепло), він зможе охолонути навіть нижче температури навколишнього середовища і під прямими сонячними променями. Зараз ефект радіаційного охолодження активно використовується у будівництві завдяки спеціально розробленим захисним покриттям. Але досі його не вдавалося повномасштабно реалізувати у текстильній промисловості, через погіршення експлуатаційних характеристик тканин — вони погано витримують випробування на міцність та повітропроникність.
Тому матеріалознавці вирішили використати матеріал, який вже сам по собі має непогані оптичні характеристики — шовк.
Що особливого у шовку?
Шовк є одним із найпопулярніших текстильних матеріалів і за час свого відкриття пройшов велику кількість модифікацій, завдяки чому може похвалитися не лише естетичними якостями, а й вологостійкістю та міцністю. Оптичні властивості шовку переважно пов'язані з його будовою. Так волокно складається з білків фіброїну та серицину, які забезпечують відбивальну здатність у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні сонячного спектра. Фіброїн має високу випромінювальну здатність у середньому інфрачервоному діапазоні і таким чином здатний мінімізувати теплове навантаження.
Однак сам по собі шовк, володіючи високим коефіцієнтом поглинання в ультрафіолетовому спектрі, здатний забезпечити відбивальну здатність всього у 86 відсотків. Отже, завданням дослідників стало підвищення цього показника в УФ-діапазоні довжин хвиль без негативного впливу на його властивості тепловипромінювання. Модифікація не повинна руйнувати внутрішню ієрархічну структуру шовку і при цьому повинна зберегти його повітропроникність, здатність до відведення вологи і термін експлуатації.
Як змусити шовк охолоджувати?
Щоб задовольнити ці вимоги, вчені пов'язали наночастинки оксиду алюмінію, які відрізняються високим показником заломлення та мінімальним поглинанням ультрафіолету. Оскільки відбивальна здатність залежить від розміру наночастинок, дослідники використовували наночастинки розміром приблизно 300 нанометрів — більше, ніж довжина теплової хвилі. Як реагент для змішування шовку з оксидом алюмінію, вони обрали тетрабутилтитанат, який утворює ковалентні зв'язки з амінокислотами шовку і не дає наночастинкам зліплюватися разом. Інфрачервона спектроскопія показала, що шовкове волокно зберегло структуру навіть після обробки.
Однак водночас після обробки шовк почав демонструвати набагато ефективніші оптичні властивості. Нове полотно залишили на 22 години на каліфорнійському сонці. І навіть у період з 11 ранку до 15 дня, коли сонячне випромінювання перевищувало 800 ватів на квадратний метр, воно залишилося на 3,5 градуса Цельсія холодніше, ніж температура повітря. Потім модифікований шовк порівняли зі звичайним і з бавовною. Так штучна шкіра, вкрита модифікованим шовком, була на вісім градусів холодніша, ніж така ж шкіра, вкрита натуральним шовком, на 12,5 градуса за таку ж з бавовною і на 19 градусів прохолодніша порівняно із відсутністю покриття взагалі.
На першій картинці модифікований шовк, на другій — звичайний, а на третій — звичайна бавовна. Bin Zhu et al. / Nature Nanotechnology, 2021
На додаток до властивостей радіаційного охолодження, вчені також оцінили інші параметри, пов'язані безпосередньо зі зручністю. Так здатність тканини пропускати водяну пару від потовиділення і повітропроникність виявилися не гіршими, ніж у необробленого оксидом алюмінію шовку. А також новий матеріал витримав 50 циклів прання та сушіння, не втрачаючи своїх властивостей.
Раніше ми розповідали про розумну тканину, але на основі бавовни, яка завдяки наночастинкам оксиду титану відбила майже 93 відсотки сонячного випромінення та дала нагрітися добровольцю всього на градус під прямими сонячними променями.
Кліматологи роблять невтішні висновки, що вже у другій половині століття на регіони Середнього Сходу та Північної Африки очікують періоди екстремальної спеки до 56 градусів за Цельсієм та вище, а тропіки стануть непридатними для життя. Нещодавнє дослідження свідчить, що для досягнення цілей Паризької кліматичної угоди, державам потрібно зменшити викиди ще на 80 відсотків. Більше про глобальне потепління ми писали у матеріалі «Глобальне потепління — не міф?».