Штучна шерсть білого ведмедя зробила кролика невидимим для тепловізора

Китайські вчені створили ефективну термоізоляційну тканину, що складається з пористих фіброїнових волокон, аналогічних за своєю структурою волоскам вовни білих ведмедів. Протяжні порожнини, орієнтовані вздовж волокон, призводять до теплоізоляції як при негативних, так і при відносно високих позитивних температурах. Розробку протестували на кролику, якого прикривали тканиною і знімали на теплову камеру, йдеться в статті в.

Відомо, що полярні тварини, які живуть в умовах постійного холоду, зокрема, білі ведмеді, здатні дуже довго і ефективно зберігати тепло. Допомагає їм у цьому порожня структура волосин їхньої вовни. Товщина одного волосина становить близько 100 мікрометрів, при цьому в його центрі знаходиться порожнина діаметром близько 40 мікрометрів. Ці порожнини в середині кожного волосся сильно знижують теплопровідність вовни, і роблять з неї ефективний термоізолятор. Термоізоляційні властивості вовни білих ведмедів настільки хороші, що іноді їх не вдається побачити навіть за допомогою теплових інфрачервоних камер.

Китайські вчені з Чжецзянського університету під керівництвом Хао Бая (Hao Bai) вирішили використовувати аналогічну структуру волокон для створення синтетичної термоізоляційної тканини. Для цього автори роботи використовували волокна, отримані з фіброїну - білка, що виділяється комахами, з якого складається, наприклад, шовк.

Для отримання волокон з потрібною структурою вчені використовували методику «freeze-spinning»: тонкий струмінь в'язкого водного розчину, що повільно витікає з резервуара, проходив через область зниженої температури, в результаті чого в ній запускався процес спрямованого зростання кристалів льоду. Заморожене волокно акуратно збиралося, після чого розморожувалося і висушувалося таким чином, щоб збереглася потрібна структура пор.

Умови синтезу вибиралися таким чином, щоб швидкість витікання дорівнювала швидкості кристалізації і фронт кристалізації весь час знаходився на одній висоті. В результаті цього вчені змогли отримати волокна з фіброїну товщиною близько від 100 до 300 мікрометрів, в яких порожнини спрямовані вздовж осі волокна.

Автори роботи відзначають, що умови отримання волокон дуже чутливі до умов синтезу, тому при різних температурах синтезу можна змінювати розмір пор від 20 до 80 мікрометрів або взагалі отримувати волокна з розупорядкованою системою порожнин. З отриманих таким чином волокон вчені сплели тканину, яку потім перевірили на можливість використання як термоізоляційного матеріалу.

Виявилося, що мінімальної втрати тепла вдається домогтися за допомогою волокон з порами товщиною близько 20 мікрон. При цьому ефективно працює така тканина як при негативних температурах (до _ 20 градусів Цельсія), так і при позитивних (до 80 градусів). Для збільшення ефективності теплоізоляції вчені також запропонували робити багатошарові тканини.

Щоб показати, що таку тканину можна використовувати для отримання теплоізолюючого одягу, автори роботи провели експеримент з кроликом. Тіло тварини накрили невеликим шматочком отриманої пористої тканини і виміряли температуру поверхні його покритого тіла за допомогою теплової інфрачервоної камери. Отримані теплові карти вчені порівняли з тепловими зображеннями кролика, покритого звичайною синтетичною тканиною і не покритого нічим. Експеримент провели при кімнатній температурі, і повторили при 40 градусах Цельсія і - 10 градусах Цельсія. На відміну від двох порівняльних експериментів, тіло кролика, покрите ковдрою з досліджуваної пористої тканини, при всіх температурах залишалося практично повністю невидимим для теплових камер.

При цьому матеріал може не тільки використовуватися як теплоізолятор, а й служити як самостійне джерело тепла - для цього в структуру волокон потрібно додати вуглецеві нанотрубки. Якщо до такої тканини з нанотрубками докласти електричну напругу від 1 до 5 вольт, то її температуру можна підняти до 30-35 градусів Цельсія.

Автори роботи зазначають, що пориста структура волокон, яка не дозволяє розсіюватися теплу, при цьому не знижує механічні властивості тканини, дозволяючи їй «дихати» і не знижує її зносостійкість. Тому в майбутньому таку тканину цілком можна використовувати для виробництва звичайного одягу. Вчені відзначають, що за попередніми оцінками використання таких тканин може приблизно на 50 відсотків скоротити споживання енергії, пов'язане з обігрівом.

Якщо в холодних умовах потрібна тканина, що дозволяє зберігати тепло, то при спекотній погоді, навпаки, потрібні матеріали, здатні ефективно його відводити. Для створення таких матеріалів у них додають речовини, які не знижують, а, навпаки, збільшують теплопровідність. Розробляються і двосторонні тканини, які можуть або розсіювати, або зберігати тепло залежно від того, якою стороною вони будуть ближче до шкіри. При цьому терморегуляцію можна здійснювати не тільки за допомогою матеріалу тканини, з якої робиться одяг, але й іншими способами. Наприклад, група американських розробників запустила у виробництво персональний термостат, який кріпиться у вигляді браслета на руці і допомагає впоратися з відчуттям спеки або холоду за рахунок швидкої зміни температури.