Китайські інженери розробили метатканину на основі оксиду титану і поліактидів, здатну відбивати майже 93 відсотки сонячного випромінення. Нею покрили автомобіль і добровольця, яких поставили під прямі сонячні промені вдень — так машина нагрілася всього до 30 градусів замість звичних 60, а одягненому у метатканину досліднику стало спекотніше всього на градус. Про можливу альтернативу кондиціонерам вчені розповіли у Science.
Теплове зображення добровольця у жилеті, де зліва на ньому метатканина. Shaoning Zeng et al. / Science, 2021
Як охолонути без кондиціонера?
Більш простим рішенням на заміну кондиціонерам видається можливість індивідуально контролювати свій температурний режим. А текстиль є такою собі проміжною ланкою між людським тілом та навколишнім середовищем, яке іноді може довести до кипіння. Тому вчені шукають способів змінити теплообмін між тілом та вулицею за допомогою нових тканин, які можуть самі випромінювати тепло, відбивати світло та зберігати обернені у неї речі принаймні на кілька градусів прохолоднішими навіть на сонці.
Сонячний спектр складається з видимого світла (довжина хвилі 400-700 нанометрів) та ближнього інфрачервоного випромінювання (700-2500 нанометрів). Тому, щоб позбутися його теплової енергії, необхідно «відключити» ближнє інфрачервоне випромінювання та видиме світло, яке пропускає наш одяг. Помітний охолоджуючий ефект досягається саме завдяки впливу на весь спектр сонячного світла разом зі спектром випромінювання людського тіла. Також вчені звертаються до явища радіаційного охолодження (охолодження за рахунок теплового випромінювання, radiative cooling), коли тіло охолоджується і під дією випромінювання, оскільки відбиває його. Однак, досі матеріали із такою властивістю погано витримують випробування на міцність та повітропроникність, тому вчені не поспішали додавати їх у тканини.
Як пошити охолоджуючу тканину?
Одним зі способів є створення «метатканин», коли звичну нам бавовну доповнюють новими складовими. Так, наприклад, частинки оксиду титану розміром 293-618 нанометрів здатні знизити температуру одягненого у бавовняну сорочку майже на 4 градуси. У своїй роботі вчені створили волокна із тефлону, оксиду титану та поліактидів. Гранули оксиду титану входять до складу сонцезахисних кремів, тефлон відбиває ультрафіолетове і видиме світло, а поліактиди зберігають випромінене тілом тепло, що також важливо для терморегуляції. Також у своє полотно вченим все ж вдалося інтегрувати функцію радіаційного охолодження - тканина відбиває майже 93 відсотки сонячного випромінення, та при цьому охолоджує на 4.8 градуса. Принаймні так охолодився доброволець у жилеті наполовину із метатканини та звичайної бавовни. Під час півгодинного процесу вимірювання тепловізором, поверхня кожної половини жилета поступово демонструвала помітну різницю температур, причому після його зняття обидві половини тіла показали чітку різницю температур у понад три градуси.
Процес виробництва включає три етапи: змішування розплавлених частинок, прядіння тканини з цього сплаву та створення полотна. Його виготовляли на звичайній прядильній машині із попередньо нагрітого до 205 градусів Цельсію матеріалу, яка видавала гнучкі міцні обплетені волокна діаметром 30 мікрометрів. Електронна мікроскопія вказала на рівномірний розподіл частинок оксиду титану, а за словами вчених її можна розфарбувати у будь-який колір, хоча білий є найбільш ефективним для відбиття сонячного світла. Тканина також витримала і тест на довговічність — дослідники зістарювали її під ультрафіолетовими променями за температури у 60 градусів протягом 150 годин.
Як пройшов експеримент під сонцем?
За підрахунками вчених, ефективність їхньої тканини еквівалентна зниженню температури на 2 градуси у приміщенні, але вони вирішили перевірити її роботу під прямими сонячними променями. Тому на сонце на дві години виставили автомобіль та одного із розробників. Так доброволець у жилеті, що пошили наполовину із розробленої метатканини та наполовину зі звичайної бавовни, просидів на сонці з 11 до 13 години дня. За цей час температура шкіри під метатканиною зросла з 31 до 32 градусів, а температура під бавовною піднялася приблизно до 37 градусів. Другий експеримент полягав у рятуванні від нагрівання автомобіля. Так одна з машин була накрита метатканиною, інша — купленим у магазині захисним покриттям, а третя залишилася відкритою. Так температура у машині без захисту за дві години на сонці сягнула 60 градусів, із комерційним покриттям 57, а от машина із новою тканиною нагрілася всього до 30 градусів. Втім, за словами вчених, тканина краще працює на людях завдяки збереженню тепла тіла — так, наприклад, якщо одягнути її поверх звичайного одягу, через це велика частина її охолоджуючого ефекту втратиться, адже метатканині передаватиметься менше тепла.
За цією технологією виробництво можна масштабувати, а порівняно із пасивними шляхами охолодження, такими як плівки або фарби, ткана структура краще вміє адаптуватися до деформацій, як-то згинання, розтягування та скручування, що робить її більш універсальною. Доповнене таким чином полотно демонструє механічну міцність, водонепроникність і повітропроникність.Тим паче, що завдяки своїй структурі його легко можна інтегрувати у одяг, намети, чохли для автомобілів, штори та тенти. У майбутньому вчені планують використати випаровування поту для додаткового охолодження.