Fleksibelt materiale viser potentiale for brug i stoffer til opvarmning, fedt nok

En film lavet af bittesmå kulstof nanorør (CNT) kan være et nøglemateriale i udviklingen af ​​tøj, der kan opvarme eller afkøle bæreren efter behov. En ny undersøgelse fra North Carolina State University viser, at CNT-filmen har en kombination af termisk, elektriske og fysiske egenskaber, der gør det til en attraktiv kandidat til næste generation af smarte stoffer.

Forskerne var også i stand til at optimere materialets termiske og elektriske egenskaber, giver materialet mulighed for at bevare sine ønskede egenskaber, selv når det udsættes for luft i mange uger. I øvrigt, disse egenskaber blev opnået ved hjælp af processer, der var relativt enkle og ikke krævede alt for høje temperaturer.

"Mange forskere forsøger at udvikle et materiale, der er ugiftigt og billigt, men er samtidig effektiv til opvarmning og afkøling, " sagde Tushar Ghosh, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Carbon nanorør, hvis det bruges korrekt, er sikre, og vi bruger en formular, der tilfældigvis er billig, relativt set. Så det er potentielt et mere overkommeligt termoelektrisk materiale, der kunne bruges ved siden af ​​huden." Ghosh er William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles i NC State's Wilson College of Textiles.

"Vi ønsker at integrere dette materiale i selve stoffet, " sagde Kony Chatterjee, førsteforfatter til undersøgelsen og en ph.d. studerende ved NC State. "Lige nu, forskningen i tøj, der kan regulere temperaturen, fokuserer stærkt på at integrere stive materialer i stoffer, og kommercielle bærbare termoelektriske enheder på markedet er heller ikke fleksible."

For at afkøle bæreren, Chatterjee sagde, CNT'er har egenskaber, der ville tillade varme at blive trukket væk fra kroppen, når en ekstern strømkilde påføres.

"Tænk på det som en film, med køleegenskaber på den ene side og opvarmning på den anden, " sagde Ghosh.

Forskerne målte materialets evne til at lede elektricitet, samt dens varmeledningsevne, eller hvor let varme passerer gennem materialet.

En af de største opdagelser var, at materialet har relativt lav varmeledningsevne - hvilket betyder, at varmen ikke let ville rejse tilbage til bæreren efter at have forladt kroppen for at afkøle den. Det betyder også, at hvis materialet blev brugt til at varme bæreren, varmen ville bevæge sig med en strøm mod kroppen, og ikke gå tilbage til atmosfæren.

Forskerne var i stand til nøjagtigt at måle materialets termiske ledningsevne gennem et samarbejde med laboratoriet fra Jun Liu, en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State. Forskerne brugte et særligt eksperimentelt design til mere præcist at måle materialets varmeledningsevne i den retning, den elektriske strøm bevæger sig inde i materialet.

"Du skal måle hver egenskab i samme retning for at give dig et rimeligt skøn over materialets muligheder, " sagde Liu, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Dette var ikke en let opgave; det var meget udfordrende, men vi udviklede en metode til at måle dette, især til tynde fleksible film."

Forskerholdet målte også materialets evne til at generere elektricitet ved hjælp af en temperaturforskel, eller termisk gradient, mellem to miljøer. Forskere sagde, at de kunne udnytte dette til opvarmning, afkøling, eller til at drive lille elektronik.

Liu sagde, at selvom disse termoelektriske egenskaber var vigtige, det var også vigtigt, at de fandt et materiale, der også var fleksibelt, stabil i luften, og forholdsvis enkel at lave.

"Pointen med dette papir er ikke, at vi opnåede den bedste termoelektriske ydeevne, " sagde Liu. "Vi opnåede noget, der kan bruges som en fleksibel, elektronisk, blødt materiale, der er nemt at fremstille. Det er nemt at forberede dette materiale, og let at opnå disse egenskaber."

Ultimativt, deres vision for projektet er at designe et smart stof, der kan varme og afkøle bæreren, sammen med energihøst. De mener, at en smart beklædningsgenstand kan være med til at reducere energiforbruget.

"I stedet for at opvarme eller afkøle en hel bolig eller et rum, du ville opvarme eller afkøle det personlige rum omkring kroppen, " sagde Ghosh. "Hvis vi kunne få termostaten ned en grad eller to, der kunne spare en enorm mængde energi."

Papiret, "In-plane termoelektriske egenskaber af fleksible og stuetemperaturbearbejdelige doterede kulstof nanorørfilm, " blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Energy Materials .