Ingeniørteam designer teknologi til smarte materialer

University of Virginia mekaniske ingeniører og materialeforskere, i samarbejde med materialeforskere ved Penn State, University of Maryland og National Institute of Standards and Technology, har opfundet en "switching-effekt" for termisk ledningsevne og mekaniske egenskaber, der kan inkorporeres i fremstillingen af ​​materialer, herunder tekstiler og beklædningsgenstande.

Ved at bruge varmetransportprincipper kombineret med en biopolymer inspireret af blæksprutteringetænder, holdet undersøgte et materiale, der dynamisk kan regulere dets termiske egenskaber - skifte frem og tilbage mellem isolering og afkøling - baseret på mængden af ​​vand, der er til stede.

Opfindelsen lover meget for alle mulige nye enheder og materialer med evnen til at regulere temperatur og varmeflow efter behov, inklusive de "smarte" stoffer.

"Switcheffekten af ​​termisk ledningsevne ville være ideel til mange applikationer, herunder atletik, " sagde John Tomko, en ph.d. kandidat i UVA's Institut for Materials Science &Engineering og hovedforfatter til en artikel om opfindelsen udgivet i denne uge i Natur nanoteknologi . "Dette materiale har potentialet til at revolutionere aktivt slid, frigør muligheden for tøj, der dynamisk kan reagere på kropsvarme og regulere temperaturen. For eksempel, biopolymeren har en lav varmeledningsevne, mens den er tør, i det væsentlige lagrer kropsvarmen og holder atleten (og hans eller hendes muskler!) varme, mens den ikke er aktiv. Så snart bæreren begynder at svede, materialet kan blive hydreret og øjeblikkeligt øge dets varmeledningsevne, lader denne kropsvarme slippe ud gennem materialet og køle atleten ned. Når personen er færdig med at træne og sveden er fordampet, materialet kunne gå tilbage til en isolerende tilstand og holde bæreren varm igen.

"Og selvom det kan lyde meget specialiseret og kun for professionelle atleter, det ville være lige så nyttigt fra et beklædningsfirmas perspektiv, " sagde Tomko, hvis forskning udføres som en del af ExSite Group ledet af professor Patrick Hopkins fra UVA's afdelinger for Mechanical &Aerospace Engineering, Materialevidenskab og -teknik og fysik.

Tøjet fremstillet ved hjælp af denne teknologi ville være et skridt over, hvad der er tilgængeligt på markedet i dag på grund af materialernes ekstremt brede vifte af tekniske muligheder. For eksempel, polar fleece kræver generelt forskellige vægte for at kunne rumme forskellige kombinationer af temperaturer og aktivitetsniveauer. Det nye materiale kunne rumme hele spektret af atletiske scenarier inden for én beklædningsgenstand. Fleece anses for åndbar, en passiv tilstand, men biopolymermaterialet ville aktivt lede varme ud af tøjet.

"Mens realiseringen af ​​termisk og mekanisk smarte stoffer er et stort fremskridt i dette arbejde, evnen til at give så store og reversible ændringer i den termiske ledningsevne af et materiale "on-demand" har potentielle spilskiftende applikationer, " sagde Hopkins, Tomkos ph.d. rådgiver og co-lead på denne forskningsindsats sammen med professor Melik Demirel ved Penn State. "Den termiske ledningsevne af materialer antages typisk at være en statisk, et materiales iboende egenskab. Det, vi har vist, er, at du kan 'skifte' den termiske ledningsevne af et materiale på samme måde, som du ville tænde og slukke en pære via en kontakt på væggen, kun i stedet for at bruge elektricitet, vi kan bruge vand til at skabe denne kontakt. Dette vil give mulighed for dynamiske og kontrollerbare måder at regulere temperaturen og/eller varmestrømmen af ​​materialer og enheder.

"Størrelsen af ​​dette tænd/sluk termiske ledningsevneforhold er stort nok, hvor vi nu kan forestille os applikationer, der ikke kun omfatter smarte stoffer, men også mere effektiv genanvendelse af spildvarme for at skabe elektricitet, fremstilling af selvtermisk regulerende elektriske apparater, eller skabe nye veje til vind- og vandkraftproduktion."

Processen med at skabe "programmerbare" materialer kunne være gode nyheder for producenter og miljøet. Normalt er tekstilvirksomheder nødt til at stole på forskellige typer fibre og forskellige fremstillingsprocesser for at skabe tøj med forskellige egenskaber, men det justerbare aspekt af disse materialer betyder, at isolerings- og køleegenskaber kan skabes ud fra den samme proces. Dette kan føre til lavere produktionsomkostninger og reducerede kulstofemissioner.

Blæksprutte ring tænder, som gør programmerbare materialer mulige, er en inspirerende ny vej for videnskabelig forskning, der først blev opdaget i Penn State. Disse biomaterialer indeholder unikke egenskaber såsom styrke, selvhelbredende og biokompatibilitet, hvilket gør dem usædvanligt velegnede til programmering på molekylært niveau, i dette tilfælde til termisk regulering. Dette er flere gode nyheder for miljøet, da de kan udvindes fra blækspruttes sugekopper eller kan fremstilles syntetisk via industriel gæring, både bæredygtige ressourcer.

Tomko's og Hopkins' samarbejdspartnere i forskningen er Abdon Pena-Francesch, tidligere ph.d. studerende ved Penn State og nu von Humboldt Fellow ved Max Planck Institute i Stuttgart, Tyskland; Huihun Jung, en doktorgradskandidat i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State; Madhusudan Tyagi, forsker ved University of Maryland og National Institute of Standards and Technology; Benjamin D. Allen, assisterende forskningsprofessor i biokemi og molekylærbiologi ved Penn State; og Demirel, professor i ingeniørvidenskab og mekanik og direktør, Center for forskning i avancerede fiberteknologier i Penn State.

"Skønheden og den unikke kraft ved neutronspredning hjalp os med at løse gåden om, hvordan tandemgentagelsesenheder virkelig påvirker den observerede termiske ledningsevne i hydrerede prøver, da tungt vand simpelthen bliver 'usynligt' for neutroner! Vi fandt ud af, at den øgede og 'ændrede' dynamik af amorfe tråde var, rent faktisk, ansvarlig for denne øgede varmeledningsevne i hydrerede prøver, " sagde Tyagi ved University of Maryland. "Jeg tror, ​​at denne forskning vil ændre, hvordan vi studerer termiske egenskaber af blødt stof, især proteiner og polymerer, ved at bruge neutroner som typisk hårdt kondenseret stof er det meste af arbejdet i denne henseende."

Tomko og andre UVA Engineering-forskere, sammen med kandidatstuderende fra UVA's Darden School of Business, vandt førstepladsen i en Patagonia udendørs beklædningsvirksomheds konkurrence i foråret for at finde de bedste ideer til at opnå CO2-neutralitet. 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.