University of Virginia mekaniska ingenjörer och materialforskare, i samarbete med materialforskare vid Penn State, University of Maryland och National Institute of Standards and Technology, har uppfunnit en "växlingseffekt" för värmeledningsförmåga och mekaniska egenskaper som kan inkorporeras i tillverkningen av material inklusive textilier och plagg.

Genom att använda värmetransportprinciper i kombination med en biopolymer inspirerad av bläckfiskringtänder, teamet studerade ett material som dynamiskt kan reglera dess termiska egenskaper – växla fram och tillbaka mellan isolering och kylning – baserat på mängden vatten som finns.

Uppfinningen lovar alla möjliga nya enheter och material med förmågan att reglera temperatur och värmeflöde vid behov, inklusive de "smarta" tygerna.

"Omkopplingseffekten av värmeledningsförmåga skulle vara idealisk för många applikationer, inklusive friidrott, sa John Tomko, en Ph.D. kandidat vid UVA:s institution för materialvetenskap och teknik och huvudförfattare till en artikel om uppfinningen publicerad i veckan i Naturens nanoteknik . "Detta material har potential att revolutionera aktivt slitage, släpper lös möjligheten till kläder som dynamiskt kan reagera på kroppsvärme och reglera temperaturen. Till exempel, biopolymeren har låg värmeledningsförmåga medan den är torr, i huvudsak lagrar kroppsvärme och håller idrottaren (och hans eller hennes muskler!) varma medan han inte är aktiv. Så fort bäraren börjar svettas, materialet kan bli hydratiserat och omedelbart öka dess värmeledningsförmåga, låta denna kroppsvärme strömma ut genom materialet och kyla ner idrottaren. När personen är klar med träningen och svetten har avdunstat, materialet kan återgå till ett isolerande tillstånd och hålla bäraren varm igen.

"Och även om det kan låta mycket specialiserat och bara för professionella idrottare, det skulle vara lika användbart ur ett klädföretags perspektiv, sa Tomko, vars forskning bedrivs som en del av ExSite Group som leds av professor Patrick Hopkins från UVA:s avdelningar för Mechanical &Aerospace Engineering, Materialvetenskap &teknik och fysik.

De plagg som tillverkas med denna teknik skulle vara ett steg över vad som finns på marknaden idag på grund av materialens extremt breda tekniska kapacitet. Till exempel, Polar fleece kräver i allmänhet olika vikter för att rymma olika kombinationer av temperaturer och aktivitetsnivåer. Det nya materialet skulle kunna rymma hela skalan av atletiska scenarier inom ett plagg. Fleece anses andas, ett passivt tillstånd, men biopolymermaterialet skulle aktivt leda värme ut ur plagget.

"Medan förverkligandet av termiskt och mekaniskt smarta tyger är ett stort framsteg i detta arbete, förmågan att tillhandahålla så stor och reversibel modifiering av värmeledningsförmågan hos ett material "on-demand" har potentiella spelförändrande tillämpningar, sa Hopkins, Tomkos Ph.D. rådgivare och co-lead för denna forskningssatsning med professor Melik Demirel vid Penn State. "Värmeledningsförmågan hos material antas vanligtvis vara en statisk, ett materials inneboende egenskap. Det vi har visat är att du kan "växla" värmeledningsförmågan hos ett material på ett liknande sätt som du skulle tända och släcka en glödlampa via en strömbrytare på väggen, bara istället för att använda el, vi kan använda vatten för att skapa denna switch. Detta kommer att möjliggöra dynamiska och kontrollerbara sätt att reglera temperaturen och/eller värmeflödet hos material och enheter.

"Omfattningen av detta på/av värmekonduktivitetsförhållande är tillräckligt stor där vi nu kan föreställa oss applikationer inklusive inte bara smarta tyger, men också mer effektiv återvinning av spillvärme för att skapa el, tillverkning av självtermiskt reglerande elektriska apparater, eller skapa nya vägar för vind- och vattenkraftproduktion."

Processen att skapa "programmerbara" material kan vara goda nyheter för tillverkare och miljön. Vanligtvis måste textilföretag förlita sig på olika typer av fibrer och olika tillverkningsprocesser för att skapa kläder med olika egenskaper, men den avstämbara aspekten av dessa material innebär att isolerings- och kylegenskaper kan skapas från samma process. Detta kan leda till lägre tillverkningskostnader och minskade koldioxidutsläpp.

Bläckfisk ring tänder, som gör programmerbara material möjligt, är en inspirerande ny väg för vetenskaplig forskning som först upptäcktes i Penn State. Dessa biomaterial innehåller unika egenskaper som styrka, självläkning och biokompatibilitet, vilket gör dem exceptionellt lämpliga för programmering på molekylär nivå, i detta fall för termisk reglering. Detta är fler goda nyheter för miljön, eftersom de kan utvinnas ur sugkopparna på bläckfisk eller kan framställas syntetiskt via industriell jäsning, både hållbara resurser.

Tomkos och Hopkins medarbetare i forskningen är Abdon Pena-Francesch, tidigare Ph.D. student vid Penn State och nu von Humboldt Fellow vid Max Planck Institute i Stuttgart, Tyskland; Huihun Jung, en doktorand i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State; Madhusudan Tyagi en forskare vid University of Maryland och National Institute of Standards and Technology; Benjamin D. Allen, biträdande forskningsprofessor i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State; och Demirel, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och direktör, Center for Research on Advanced Fiber Technologies i Penn State.

"Skönheten och den unika kraften hos neutronspridning hjälpte oss att lösa pusslet om hur tandemupprepningsenheter verkligen påverkar den observerade värmeledningsförmågan i hydratiserade prover, eftersom tungt vatten helt enkelt blir 'osynligt' för neutroner! Vi fann att den ökade och "förändrade" dynamiken hos amorfa strängar var, faktiskt, ansvarig för denna ökade värmeledningsförmåga i hydratiserade prover, ", sade Tyagi vid University of Maryland. "Jag tror att den här forskningen kommer att förändra hur vi studerar termiska egenskaper hos mjuk materia, särskilt proteiner och polymerer, att använda neutroner som typiskt hård kondenserad materia är där det mesta av arbetet görs i detta avseende."

Tomko och andra UVA Engineering-forskare, tillsammans med doktorander från UVA:s Darden School of Business, won first place in a Patagonia outdoor apparel company competition this spring to determine the best ideas for attaining carbon neutrality. Raw materials production is responsible for about 80 percent of Patagonia's total carbon emissions, largely attributed to the production of polyester fabrics derived from fossil fuels. The UVA team proposed that the company transition to biopolymer textiles, which can be engineered solely from renewable resources. The new materials would look and function better than polyester and wool alternatives without relying on fossil fuel.