Фізики створили тканину з асиметричною терморегуляцією

Бельгійські фізики спроектували тканину, одяг з якої може бути теплим або дуже легким залежно від того, якою стороною він одягнений. Така двояка терморегуляція досягається за рахунок великої різниці між випромінювальними властивостями різних сторін тканини. Розрахунки показали, що одяг із запропонованого матеріалу дозволить підтримувати комфорт у діапазоні температур повітря від 11,3 до 24,4 градуса Цельсія. Дослідження опубліковано в, коротко про нього пише.

Випромінювання людським тілом тепла - це один з найінтенсивніших шляхів теплопередачі в навколишній простір. Для малорухливої людини, що знаходиться в приміщенні, на випромінювання припадає до половини всіх тепловтрат його тіла, за решту відповідальні теплопровідність і конвекція. Наша шкіра нагрівається за рахунок метаболічних процесів в організмі і випромінює переважно чорнотельний спектр з максимумом в точці з довжиною хвилі близько 10 мікрон. Контролюючи оптичні властивості тканини в цьому діапазоні, ми можемо керувати терморегуляцією.

Всі матеріали можуть поглинати, пропускати і відображати випромінювання. При цьому для випадку термодинамічної рівноваги виконується закон Кірхгофа, який говорить, що чим краще тіло поглинає, тим краще воно випромінює. Отже, якщо ми хочемо, щоб тканина охочіше віддавала тепло в навколишнє середовище, нам потрібно зробити її добре поглинаючою, і навпаки. Якщо ж ми з'єднаємо дві тканини з протилежними поглинаючими здібностями, то об'єднана тканина буде мати різні терморегулюючі властивості залежно від того, якою стороною вона звернена до тіла.

Мулуне Абебе (Muluneh Abebe) з колегами з університету Монса запропонували концепцію волокнистої тканини, яка володіє саме такими характеристиками. Для управління випромінювальною здатністю сторін фізики оптимізували як геометричні властивості компонентів тканини, так і вибір матеріалів для їх виготовлення.

Автори запропонували в обох випадках використовувати структури, що представляють собою періодичні масиви волокон. Для відбиваючого шару вони запропонували робити їх з металу, а для поглинаючого - з діелектрика. Останній повинен мати гарне поглинання в діапазоні від 4 до 25 мікрон, а також відповідні механічні властивості, тому автори зупинили свій вибір на карбіді кремнію.

Дослідники побудували чисельну модель такої композитної тканини. Спочатку вони проводили аналіз пропускання, відображення і поглинання кожного з шарів тканини. Потім фізики будували повну теплову модель теплопередачі через тканину, спираючись на оптичні властивості компонентів. Для першого завдання вони чисельно вирішували рівняння Максвелла методом кінцевих елементів. При цьому з'ясувалося, що металеві волокна повинні схрещуватися, щоб забезпечити достатнє відображення обох поляризацій. На другому етапі автори застосували формалізм, який замінює завдання про теплоперенос еквівалентним електричним ланцюгом. Роль напруги при цьому відіграє різниця температур, а роль струму заряду - струм тепла.

В результаті фізики визначили, що, якщо прийняти діапазон комфортної температури рівним 19-23 градуси Цельсія, то одяг із запропонованої ними тканини зможе підтримувати комфорт в діапазоні температури повітря від 11,3 до 24,4 градуса Цельсія. За цими характеристиками їх тканина перевершує багато відомих матеріалів з подвійною терморегуляцією.

Створення нових тканин для «розумного» одягу - це напрямок науки, що бурхливо розвивається. Ми вже розповідали, як вчені та інженери розширюють функціональність одягу за допомогою генераторів електрики і бактерій.