Ученые из японского Университета Синсю научились производить текстиль с нанонитями, содержащими в сердцевине материал с фазовым переходом, который может накапливать и выделять большое количество тепла, когда материал переходит из жидкого состояния в твердое. Сочетая нити с электротермическими и фототермическими покрытиями, усиливающими эффект, они, по сути, разработали ткань, способную как быстро охлаждать владельца, так и согревать его при изменении условий окружающей среды.

Многие специалисты, от пожарных до хуторян, вынуждены работать в суровых — жарких или холодных — условиях. Холодильные склады, ледовые катки, сталелитейные заводы, пекарни и многие другие рабочие места требуют частых переходов между различными, а иногда и экстремальными температурами. Это не только некомфортно и требует частой смены одежды, но и может привести к нарушению здоровья и травмам.

Одним из вариантов облегчения стресса от жары или холода является технология индивидуального терморегулирующего текстиля. В таких тканях часто используются материалы с фазовым переходом (PCM или ПКМ), которые могут накапливать, а затем выделять большое количество тепла, когда материал меняет фазу или состояние вещества, например, переходит из твердого в жидкое.

Одним из таких материалов является парафин, который может быть включен в текстиль различными способами. Когда температура окружающей среды вокруг парафина достигает точки плавления, его физическое состояние меняется с твердого на жидкое — и это приводит к поглощению тепла. А когда температура достигает точки замерзания парафина, тепло выделяется.

Однако жесткость, присущая ПКМ в твердом состоянии, и возможность утечек в жидком, до сих пор препятствовали их применению в области носимой терморегуляции. Ученые использовали различные стратегии для преодоления этих проблем, например, микроинкапсуляцию, при которой парафин покрывается маленькими капсулами, однако до сих пор особых успехов не было.

"Проблема заключается в том, что методы производства микрокапсул с фазовым переходом сложны и очень дороги, — сказал Хидэаки Морикава, автор статьи и передовой инженер по текстилю из Института волоконной инженерии Университета Синсю. — Что еще хуже, полученный материал все равно недостаточно гибок для использования в качестве одежды".

Поэтому исследователи обратились к варианту, называемому коаксиальным электропрядением. Простое электропрядение — это способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава. Метод электроформования позволяет получать полимерные волокна диаметром порядка нескольких сотен нанометров. Когда полимерный раствор, содержащийся в объемном резервуаре, обычно в шприце с иглой на конце, подключается к источнику питания высокого напряжения, на поверхности жидкости накапливается электрический заряд. Вскоре достигается точка, в которой электростатическое отталкивание от накопленного заряда превышает поверхностное натяжение, что приводит к возникновению чрезвычайно тонкой струи жидкости. По мере того, как струя высыхает в полете, она еще больше удлиняется за счет того же самого электростатического отталкивания, которое ее породило, и полученное сверхтонкое волокно затем собирается на барабане.

Коаксиальное электропрядение во многом похоже на электропрядение, но включает два или более полимерных раствора, что позволяет производить покрытые или полые нановолокна. Эти волокна с сердцевиной и оболочкой имеют структуру, аналогичную коаксиальному кабелю, который используется в стереосистемах, но они намного меньше.

Исследователи инкапсулировали ПКМ в центре электроспряденного нановолокна, чтобы решить проблему утечки. Вдобавок к этому ультратонкие волокна обеспечивают чрезвычайную гибкость, подходящую для одежды.

Чтобы еще больше расширить диапазон сред, в которых может работать ткань, и повысить точность терморегуляции, исследователи соединили ПКМ с двумя другими технологиями персональной терморегуляции: они добавили светочувствительные материалы, чтобы ткань реагировала на солнечную энергию, а также использовали полимеры, преобразующие электричество в тепло.

Статья с описанием технологии производства появилась в журнале Американского химического общества ACS Nano.