En film gjord av små kolnanorör (CNT) kan vara ett nyckelmaterial för att utveckla kläder som kan värma eller kyla bäraren vid behov. En ny studie från North Carolina State University visar att CNT-filmen har en kombination av termisk, elektriska och fysiska egenskaper som gör den till en tilltalande kandidat för nästa generations smarta tyger.

Forskarna kunde också optimera materialets termiska och elektriska egenskaper, vilket gör att materialet behåller sina önskvärda egenskaper även när det utsätts för luft i många veckor. Dessutom, dessa egenskaper uppnåddes med processer som var relativt enkla och inte krävde alltför höga temperaturer.

"Många forskare försöker utveckla ett material som är giftfritt och billigt, men är samtidigt effektiv vid uppvärmning och kylning, " sa Tushar Ghosh, medförfattare till studien. "Kolnanorör, om det används på rätt sätt, är säkra, och vi använder ett formulär som råkar vara billigt, relativt sett. Så det är potentiellt ett mer prisvärt termoelektriskt material som kan användas bredvid huden." Ghosh är William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles i NC State's Wilson College of Textiles.

"Vi vill integrera detta material i själva tyget, " sa Kony Chatterjee, första författare till studien och en Ph.D. student vid NC State. "Just nu, forskningen kring kläder som kan reglera temperaturen fokuserar starkt på att integrera styva material i tyger, och kommersiella bärbara termoelektriska enheter på marknaden är inte heller flexibla. "

För att kyla bäraren, Chatterjee sa, CNT har egenskaper som gör att värme kan dras bort från kroppen när en extern strömkälla appliceras.

"Tänk på det som en film, med kylegenskaper på ena sidan av den och uppvärmning på den andra, Sa Ghosh.

Forskarna mätte materialets förmåga att leda elektricitet, såväl som dess värmeledningsförmåga, eller hur lätt värme passerar genom materialet.

En av de största upptäckterna var att materialet har relativt låg värmeledningsförmåga - vilket innebär att värmen inte lätt skulle gå tillbaka till bäraren efter att ha lämnat kroppen för att kyla den. Det betyder också att om materialet användes för att värma bäraren, värmen skulle resa med en ström mot kroppen, och inte gå tillbaka till atmosfären.

Forskarna kunde noggrant mäta materialets värmeledningsförmåga genom ett samarbete med Jun Lius labb, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State. Forskarna använde en speciell experimentell design för att mer exakt mäta materialets värmeledningsförmåga i den riktning som den elektriska strömmen rör sig i materialet.

"Du måste mäta varje egenskap i samma riktning för att ge dig en rimlig uppskattning av materialets kapacitet, sa Liu, medförfattare till studien. "Det här var ingen lätt uppgift, det var väldigt utmanande, men vi utvecklade en metod för att mäta detta, speciellt för tunna flexibla filmer."

Forskargruppen mätte också materialets förmåga att generera elektricitet med hjälp av en skillnad i temperatur, eller termisk gradient, mellan två miljöer. Forskare sa att de kunde dra nytta av detta för uppvärmning, kyl, eller för att driva liten elektronik.

Liu sa att även om dessa termoelektriska egenskaper var viktiga, det var också viktigt att de hittade ett material som också var flexibelt, stabil i luften, och relativt enkel att göra.

"Poängen med detta dokument är inte att vi uppnådde den bästa termoelektriska prestandan, " sa Liu. "Vi uppnådde något som kan användas som en flexibel, elektronisk, mjukt material som är lätt att tillverka. Det är lätt att förbereda detta material, och lätt att uppnå dessa egenskaper."

I sista hand, deras vision för projektet är att designa ett smart tyg som kan värma och kyla bäraren, tillsammans med energiskörd. De tror att ett smart plagg skulle kunna bidra till att minska energiförbrukningen.

"Istället för att värma eller kyla en hel bostad eller ett utrymme, du skulle värma eller kyla det personliga utrymmet runt kroppen, "Sa Ghosh." Om vi ​​kunde få ner termostaten en eller två grader, som kan spara en enorm mängd energi."

Pappret, "Termoelektriska egenskaper i planet hos flexibla och rumstemperaturbearbetbara dopade nanorörsfilmer av kol, " publicerades i tidskriften ACS Applied Energy Materials .