Ingegneri meccanici e scienziati dei materiali dell'Università della Virginia, in collaborazione con scienziati dei materiali della Penn State, l'Università del Maryland e il National Institute of Standards and Technology, hanno inventato un "effetto di commutazione" per la conduttività termica e le proprietà meccaniche che possono essere incorporate nella fabbricazione di materiali, compresi tessuti e indumenti.

Utilizzando principi di trasporto del calore combinati con un biopolimero ispirato ai denti dell'anello di calamaro, il team ha studiato un materiale in grado di regolare dinamicamente le sue proprietà termiche, alternando tra isolamento e raffreddamento, in base alla quantità di acqua presente.

L'invenzione è molto promettente per tutti i tipi di nuovi dispositivi e materiali con la capacità di regolare la temperatura e il flusso di calore su richiesta, compresi i tessuti "intelligenti".

"L'effetto di commutazione della conduttività termica sarebbe ideale per molte applicazioni, compresa l'atletica leggera, " ha detto John Tomko, un dottorato di ricerca candidato nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UVA e autore principale di un articolo sull'invenzione pubblicato questa settimana in Nanotecnologia della natura . "Questo materiale ha il potenziale per rivoluzionare l'usura attiva, liberando la possibilità di indumenti in grado di rispondere dinamicamente al calore corporeo e regolare la temperatura. Per esempio, il biopolimero ha una bassa conducibilità termica a secco, essenzialmente immagazzinando il calore corporeo e mantenendo l'atleta (e i suoi muscoli!) al caldo mentre non è attivo. Non appena chi lo indossa inizia a sudare, il materiale potrebbe idratarsi e aumentare istantaneamente la sua conducibilità termica, permettendo a questo calore corporeo di fuoriuscire attraverso il materiale e raffreddare l'atleta. Quando la persona ha finito di allenarsi e il sudore è evaporato, il materiale potrebbe tornare a uno stato isolante e mantenere nuovamente caldo chi lo indossa.

"E mentre può sembrare altamente specializzato e solo per atleti professionisti, sarebbe ugualmente utile dal punto di vista di un'azienda di abbigliamento, " ha detto Tomko, la cui ricerca viene condotta come parte del gruppo ExSite guidato dal professor Patrick Hopkins dei dipartimenti di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'UVA, Scienza e ingegneria dei materiali e fisica.

I capi realizzati con questa tecnologia sarebbero un gradino al di sopra di quanto disponibile oggi sul mercato a causa della gamma estremamente ampia di capacità tecniche dei materiali. Per esempio, il pile polare richiede generalmente pesi diversi per adattarsi a diverse combinazioni di temperature e livelli di attività. Il nuovo materiale potrebbe ospitare l'intera gamma di scenari atletici all'interno di un indumento. Il pile è considerato traspirante, uno stato passivo, ma il materiale biopolimero condurrebbe attivamente il calore fuori dall'indumento.

"Sebbene realizzare tessuti termicamente e meccanicamente intelligenti sia uno dei principali progressi di questo lavoro, la capacità di fornire una modifica così ampia e reversibile nella conduttività termica di un materiale "su richiesta" ha potenziali applicazioni rivoluzionarie, " ha detto Hopkins, Il dottorato di ricerca di Tomko consulente e co-conduttore di questo sforzo di ricerca con il professor Melik Demirel alla Penn State. "La conduttività termica dei materiali è generalmente considerata statica, proprietà intrinseca di un materiale. Quello che abbiamo mostrato è che puoi "commutare" la conduttività termica di un materiale in modo simile a come accenderesti e spegneresti una lampadina tramite un interruttore a parete, solo invece di usare l'elettricità, possiamo usare l'acqua per creare questo interruttore. Ciò consentirà modi dinamici e controllabili per regolare la temperatura e/o il flusso di calore di materiali e dispositivi.

"L'entità di questo rapporto di conduttività termica on/off è abbastanza grande da consentirci ora di immaginare applicazioni che includano non solo tessuti intelligenti, ma anche un riciclaggio più efficiente del calore disperso per creare elettricità, realizzazione di dispositivi elettrici autoregolanti, o creando nuove strade per la produzione di energia eolica e idroelettrica".

Il processo di creazione di materiali "programmabili" potrebbe essere una buona notizia per i produttori e per l'ambiente. Di solito le aziende tessili devono fare affidamento su diversi tipi di fibre e diversi processi di produzione per creare capi di abbigliamento con attributi diversi, ma l'aspetto sintonizzabile di questi materiali significa che gli attributi isolanti e di raffreddamento possono essere creati dallo stesso processo. Ciò potrebbe portare a costi di produzione inferiori e a una riduzione delle emissioni di carbonio.

Denti ad anello di calamaro, che rendono possibili materiali programmabili, sono una nuova e stimolante via di ricerca scientifica scoperta per la prima volta a Penn State. Questi biomateriali contengono proprietà uniche come resistenza, autoguarigione e biocompatibilità, rendendoli eccezionalmente adatti alla programmazione a livello molecolare, in questo caso per la termoregolazione. Questa è un'altra buona notizia per l'ambiente, poiché possono essere estratti dalle ventose dei calamari o possono essere prodotti sinteticamente tramite fermentazione industriale, entrambe le risorse sostenibili.

I collaboratori di Tomko e Hopkins alla ricerca sono Abdon Pena-Francesch, ex dottorato di ricerca studente alla Penn State e ora von Humboldt Fellow al Max Planck Institute di Stoccarda, Germania; Huihun Jung, un dottorando in scienze ingegneristiche e meccanica alla Penn State; Madhusudan Tyagi ricercatore presso l'Università del Maryland e il National Institute of Standards and Technology; Benjamin D. Allen, assistente professore di biochimica e biologia molecolare alla Penn State; e Demirel, professore di ingegneria e meccanica e direttore, Centro per la ricerca sulle tecnologie avanzate in fibra a Penn State.

"La bellezza e il potere unico della diffusione dei neutroni ci hanno aiutato a risolvere il puzzle di come le unità ripetute in tandem influenzano davvero la conduttività termica osservata nei campioni idratati, poiché l'acqua pesante diventa semplicemente "invisibile" ai neutroni! Abbiamo scoperto che le dinamiche aumentate e "alterate" dei filamenti amorfi erano, in realtà, responsabile di questa maggiore conduttività termica nei campioni idratati, ", ha affermato Tyagi dell'Università del Maryland. "Credo che questa ricerca cambierà il modo in cui studiamo le proprietà termiche della materia soffice, in particolare proteine ​​e polimeri, l'uso dei neutroni come materia tipicamente condensata dura è il punto in cui viene svolto la maggior parte del lavoro in questo senso".

Tomko e altri ricercatori di Ingegneria UVA, insieme a studenti laureati della Darden School of Business dell'UVA, ha vinto il primo posto in una competizione aziendale di abbigliamento outdoor Patagonia questa primavera per determinare le migliori idee per raggiungere la neutralità del carbonio. 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.