Эта рубашка из «зеркальной ткани» охлаждает тело на 5°C

Синтетический материал испускает инфракрасное излучение, охлаждая тело.

Легко создать одежду, которая сохраняет тепло, но гораздо сложнее придумать наряд, который может охладить тело в палящий летний день. Это удалось исследователям, разработавшим ткань, которая выглядит как обычная футболка, но может охлаждать тело почти на 5°C. По словам ученых, эта технология, при условии ее массового производства, может помочь людям во всем мире защитить себя от повышения температуры, вызванного изменением климата.

Для создания одежды, отражающей солнечный свет, модельеры обычно используют ткань светлых тонов, которая отражает видимый свет. Но существует и другой метод отражения электромагнитного излучения Солнца, включая ультрафиолетовое (УФ) и ближнее инфракрасное (NIR) излучение. NIR-излучение нагревает поглощающие его объекты и медленно охлаждает их, когда они его излучают. Однако процесс охлаждения тормозится нашей атмосферой: после излучения от объекта инфракрасное излучение часто поглощается молекулами воды, находящимися поблизости, нагревая окружающий воздух.

Чтобы ускорить процесс охлаждения, исследователи обращаются к среднему инфракрасному излучению (MIR) — типу ИК-излучения с более длинными волнами. Вместо того чтобы поглощаться молекулами окружающего воздуха, энергия MIR уходит непосредственно в пространство, охлаждая как объекты, так и окружающую их среду. Этот метод известен как радиационное охлаждение, и за последнее десятилетие инженеры использовали его при создании крыш, пластиковых пленок, дерева и ультрабелых красок.

Кожа человека, в отличие от одежды, которую мы носим, естественным образом излучает MIR. В 2017 г. исследователи Стэнфордского университета разработали ткань, которая пропускает MIR-излучение человеческого тела непосредственно через себя, охлаждая человека примерно на 3°С. Но для этого ткань должна быть очень тонкой — всего 45 микрометров, что составляет примерно треть толщины легкой льняной рубашки. Это заставило некоторых исследователей усомниться в ее долговечности.

Чтобы создать более толстую ткань, инженеры Ма Яогуан из Чжэцзянского университета и Тао Гуанмин из Хуачжунского университета науки и технологии применили другой подход. Вместо того чтобы пропускать MIR от кожи прямо через ткань, они с коллегами разработали текстиль, который с помощью химических связей поглощает тепло тела и вновь излучает его энергию в космос в виде MIR. Ткань толщиной 550 мкм, изготовленная из смеси полимолочной кислоты и синтетических волокон с рассеянными по ней наночастицами диоксида титана, также отражает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, дополнительно охлаждая тело. Несмотря на то, что внешне она выглядит как обычная рубашка, «оптически она является зеркалом», — говорит Тао.

Для тестирования своей разработки исследователи собрали облегающий жилет, одна половина которого была изготовлена из их ткани, а другая — из белого хлопка примерно той же толщины. Аспирант надел жилет и в течение часа сидел в кресле на газоне под прямыми солнечными лучами. Когда исследователи измерили температуру его кожи, оказалось, что сторона под новой тканью была почти на 5°С холоднее, чем сторона под хлопком. В инфракрасную камеру контраст был хорошо виден, и, по словам Тао, студент мог почувствовать разницу в температуре.

«Все это интересно», — говорит И Куи (Yi Cui), материаловед из Стэнфорда, который руководил предыдущей работой и в лаборатории которого продолжаются работы по созданию прозрачных тканей со средним ИК-излучением. Но он добавляет, что, поскольку до сих пор технология ИК-излучения использовалась на стационарных поверхностях, постоянно обращенных к небу, авторам новой работы следует также измерить, насколько хорошо их ткань охлаждается, когда люди стоят или ходят. Он также задается вопросом, работает ли ткань так же хорошо, если она неплотно прилегает к телу, поскольку охлаждающий элемент зависит от плотного контакта с кожей.

Эвелин Ванг, инженер-механик из Массачусетского технологического института, разделяет некоторые опасения Куи. Однако она добавляет, что данная работа свидетельствует о быстром прогрессе в области радиационного охлаждения.

«Такой подход имеет свои преимущества, поскольку позволяет использовать более широкий спектр материалов и ощущать себя гораздо более похожим на хлопок, что важно для пользователя».

По словам ученых, ткань с добавлением наноматериалов должна увеличить обычные затраты на производство одежды всего на 10%.

«Мы можем производить ее в массовом порядке, то есть каждый сможет получить футболку… а стоимость будет практически такой же, как и у их старых вещей», — говорит Ма. «Это может быть выгодно всем».

Исследование было опубликовано в журнале Science в 2021 году.