Борьба с глобальным потеплением: ученым удалось повысить невосприимчивость шелка к нагреву под солнечными лучами

22:14 10 Ноябрь Киев, Украина

Китайским и американским материаловедам удалось повысить невосприимчивость шелка к нагреву под солнечными лучами благодаря обработке наночастицами оксида алюминия. Температура покрытой обработанной тканью искусственной кожи оказалась на 12,5 градусов Цельсия ниже по сравнению с хлопчатобумажной тканью, а сам модифицированный шелк оказался на 3,5 градуса прохладнее среды под воздействием солнечного света. Новый подход к пассивному охлаждению учёные представили в Nature Nanotechnology.

Что ткали исследователи?

На систему охлаждения температуры приходится более 15 процентов энергопотребления в мире, что только усугубляет антропогенное влияние на изменения климата и при этом не решает проблему. Через системы кондиционирования города превращаются в тепловые острова и способствуют выбросам парниковых газов и нарушению нормальной атмосферной циркуляции.

Поэтому в последнее время большое количество исследований сосредоточено на способах пассивного охлаждения, не требующих затрат электроэнергии. Так, например, охлаждающие тротуары с высокой отражательной способностью охладили на два градуса Бостон и Финикс. А индивидуальный контроль температуры предлагают перевести на обычную одежду, которая как посредник между человеческим телом и окружающей средой поможет изменить теплообмен с улицей в нашу пользу.

В своей работе китайско-американская команда материаловед университетов Нанджунга и Стэнфорда взялась искать материал, который сможет охладить вас до температуры даже ниже, чем окружающая среда.

Как охладиться в рубашке?

Большинство работ, в которых тканям отводят роль индивидуальных охладителей, сосредоточены на том, чтобы отводить тепло человеческого тела в окружающую среду с помощью прозрачных для инфракрасного излучения тканей. Так появляются новые «метаткани», где привычные нам материалы, как шелк или хлопок, дополняют наночастицами материалов, которые имеют гораздо лучшие оптические характеристики. Впрочем, нагретая солнцем улица из-за законов термодинамики, запрещает даже таким модифицированным материалам охлаждаться ниже температуры, которая находится с наружи.

Поэтому исследователи пытаются создать ткани, способные к так называемому радиационному охлаждению – охлаждению за счет теплового излучения (radiative cooling). Если ваш материал имеет высокий коэффициент отражения солнечных лучей и способен хорошо пропускать инфракрасное излучение (отводить собственное тепло), он сможет остыть даже ниже температуры окружающей среды и под прямыми солнечными лучами. В настоящее время эффект радиационного охлаждения активно используется в строительстве благодаря специально разработанным защитным покрытиям. Но до сих пор его не удавалось полномасштабно реализовать в текстильной промышленности из-за ухудшения эксплуатационных характеристик тканей — они плохо выдерживают испытание на прочность и воздухопроницаемость.

Поэтому материаловеды решили использовать материал, уже сам по себе имеющий неплохие оптические характеристики — шелк.

Что особенного в шелке?

Шелк является одним из самых популярных текстильных материалов и за время своего открытия прошел множество модификаций, благодаря чему может похвастаться не только эстетическими качествами, но и влагостойкостью и прочностью. Оптические свойства шелка в основном связаны с его строением. Так волокно состоит из белков фиброина и серицина, которые обеспечивают отражательную способность в видимом и близком инфракрасном диапазоне солнечного спектра. Фиброин обладает высокой излучательной способностью в среднем инфракрасном диапазоне и таким образом способен минимизировать тепловую нагрузку.

Однако сам по себе шелк, обладая высоким коэффициентом поглощения в ультрафиолетовом спектре, способен обеспечить отражательную способность всего в 86 процентов. Следовательно, задачей исследователей явилось повышение этого показателя в УФ-диапазоне длин волн без отрицательного влияния на его свойства теплоизлучения. Модификация не должна разрушать внутреннюю иерархическую структуру шелка и при этом должна сохранить его воздухопроницаемость, способность к отводу влаги и срок эксплуатации.

Как заставить шелк охлаждать?

Чтобы удовлетворить эти требования, ученые связали наночастицы оксида алюминия, отличающиеся высоким показателем преломления и минимальным поглощением ультрафиолета. Поскольку отражательная способность зависит от размера наночастиц, исследователи использовали наночастицы размером примерно 300 нанометров — больше, чем длина тепловой волны. В качестве реагента для смешивания шелка с оксидом алюминия они избрали тетрабутилтитанат, который образует ковалентные связи с аминокислотами шелка и не дает наночастицам склеиваться вместе. Инфракрасная спектроскопия показала, что шелковое волокно сохранило структуру даже после обработки.

Однако после обработки шелк начал демонстрировать гораздо более эффективные оптические свойства. Новое полотно оставили на 22 часа на калифорнийском солнце. И даже в период с 11 утра до 15 дня, когда солнечное излучение превышало 800 ватт на квадратный метр, оно осталось на 3,5 градуса Цельсия холоднее температуры воздуха. Затем модифицированный шелк сравнили с обычным и хлопком. Так искусственная кожа, покрытая модифицированным шелком, была на восемь градусов холоднее, чем такая же кожа, покрытая натуральным шелком, на 12,5 градуса такой же с хлопком и на 19 градусов прохладнее по сравнению с отсутствием покрытия вообще.
 
Фото: На первой картинке модифицирован шелк, на второй – обычный, а на третьей – обычный хлопок
 

В дополнение к свойствам радиационного охлаждения ученые также оценили другие параметры, связанные непосредственно с удобством. Так способность ткани пропускать водяной пар от потоотделения и воздухопроницаемость оказалась не хуже, чем у необработанного оксидом алюминия шелка. А также новый материал выдержал 50 циклов стирки и сушки, не утрачивая своих свойств.