灵感来自鱿鱼齿环,一个多学科团队发明了一种制造智能材料的新方法,包括面料,可以调节自身的热性能
机械手

弗吉尼亚大学机械工程师和材料科学家,与宾夕法尼亚州的材料科学家合作,马里兰大学和国家标准技术研究所,发明了一种“开关效应”,用于热导率和机械性能,可用于制造包括纺织品和服装在内的材料。

利用热传递原理,结合以鱿鱼齿为灵感的生物聚合物,研究小组研究了一种可以根据存在的水量动态调节其热性能的材料——在绝缘和冷却之间来回切换。

发明对各种新的装置和材料都有很大的希望。


本发明对各种能够根据需要调节温度和热流的新型装置和材料具有很大的应用前景。包括“智能”面料。

“导热系数的开关效应对于许多应用都是理想的。包括田径,“John Tomko说,尤瓦大学材料科学与工程系的博士生,最近发表在《自然纳米技术》上的一篇关于这项发明的文章的主要作者。

“这种材料有可能彻底改变主动磨损,释放出对身体热量做出动态反应并调节温度的衣服的可能性。例如,生物聚合物干燥时导热系数低,基本上储存身体热量,保持运动员(和他或她的肌肉)在不活动的情况下保持温暖。

“一旦穿着者开始出汗,这种材料可能会被水化,并立即增加其热导率,让这种身体热量通过材料散发出来,让运动员凉快下来。当伤者完成训练后,汗液蒸发了,这种材料可以回到绝缘状态,使佩戴者再次保持温暖。

“虽然听起来很专业,而且只适合专业运动员,从服装公司的角度来看,它同样有用,“Tomko说,他们的研究是由美国航空航天局机械和航天工程系的帕特里克·霍普金斯教授领导的exsite小组的一部分进行的,材料科学、工程和物理。

使用技术制造的服装将比目前市场上的服装高出一步。


由于这种材料的技术能力非常广泛,因此使用这种技术生产的服装将比目前市场上的服装高出一步。例如,摇粒绒通常需要不同的重量来适应不同的温度和活动水平组合。

这种新材料可以在一件衣服中容纳所有的运动场景。羊毛被认为是透气的,被动状态,但是,生物高聚物材料会积极地将热量排出衣服。

“虽然实现热机械智能织物是这项工作的主要进展之一,“按需”材料热导率的大幅度可逆改性具有潜在的改变游戏规则的应用,“霍普金斯说,Tomko的博士顾问和宾夕法尼亚州立大学的Melik Demirel教授共同领导这项研究工作。

“材料的热导率通常假定为静态的,材料的固有特性。我们所展示的是,你可以用类似的方式“切换”材料的热导率,通过墙上的开关打开和关闭灯泡,只不过不是用电,我们可以用水来制造这个开关。这将允许以动态和可控的方式调节材料和装置的温度和/或热流。

更有效地回收废热以发电


“这种开/关热导率的大小足够大,我们现在可以预见应用,不仅包括智能织物,同时更有效地回收废热发电,制造自热调节电气装置,或者为风力和水力发电创造新的途径。”“

制造“可编程”材料的过程对制造商和环境都是好消息。通常,纺织企业必须依靠不同类型的纤维和不同的制造工艺来生产具有不同属性的服装,但是这些材料的可调性意味着绝缘和冷却属性可以从相同的过程中创建。这可能会降低制造成本并减少碳排放。

鱿鱼齿环,使可编程材料成为可能,是在宾夕法尼亚州首次发现的一条令人鼓舞的科学研究新途径。这些生物材料具有独特的性质,如强度,自我修复和生物相容性,使它们特别适合在分子水平上编程,在这种情况下,用于热调节。

对环境有更多好消息


这对环境来说是个好消息,因为它们可以从鱿鱼的吸盘中提取,也可以通过工业发酵合成,都是可持续资源。

Tomko和Hopkins的合作者是Abdon Pena Francesch,前博士宾夕法尼亚州立大学的学生,现在是斯图加特马克斯普朗克学院的冯·洪堡研究员,德国;Huihun Jung宾夕法尼亚州工程科学与力学博士生;Madhusudan Tyagi,马里兰大学和国家标准技术研究所的研究员;本杰明·艾伦,宾夕法尼亚州生物化学和分子生物学助理研究教授;188betsportDemirel工程科学与力学教授兼主任,宾夕法尼亚州先进纤维技术研究中心。

“中子散射的美丽和独特的能量帮助我们解决了串联重复单元如何真正影响水合物样品中观察到的热导率的难题,因为重水对中子是“看不见的”!!

“我们发现,非晶链的增加和“改变”动力学是,事实上,导致水合物样品的热导率增加,“Tyagi说。

研究将改变我们研究软物质热性质的方式。


“我相信这项研究将改变我们研究软物质热性质的方式,尤其是蛋白质和聚合物,利用中子作为典型的硬凝聚物质是在这方面做大部分工作的地方。”“

Tomko和其他uva工程研究人员,和乌瓦大学达顿商学院的研究生一起,在今年春天的巴塔哥尼亚户外服装公司竞赛中获得第一名,以确定实现碳中和的最佳想法。

原材料生产占巴塔哥尼亚总碳排放量的80%左右,很大程度上归因于来自化石燃料的聚酯纤维的生产。uva团队建议公司向生物高聚物纺织品转型,它可以完全利用可再生资源进行设计。

新材料的外观和功能将比不依赖化石燃料的聚酯和羊毛替代品更好。

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