19/09/2021

Ερευνητές κατασκεύασαν ύφασμα που ρίχνει τη θερμοκρασία του σώματος έως 5 βαθμούς Κελσίου

Τo 2020, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής από το Πανεπιστήμιο Zhejiang στην Κίνα φόρεσε ένα φαινομενικά απλό λευκό γιλέκο και κάθισε στον ήλιο για μία ώρα. Σε απόσταση λίγων μέτρων, ομάδα ερευνητών παρακολουθούσε τη θερμοκρασία του σώματος του φοιτητή με υπέρυθρες κάμερες και αισθητήρες που ήταν τοποθετημένοι στο δέρμα του. Το μισό γιλέκο ήταν κατασκευασμένο από βαμβάκι- το άλλο από metafabric (μετα-ύφασμα)ένα νέο, πειραματικό ύφασμα από συνθετικές ίνες και νανοσωματίδια που αντανακλούν το φως και τη θερμότητα. Μετά από μια ώρα στον ήλιο, η πλευρά του σώματος του φοιτητή που ήταν καλυμμένη με το μετα-ύφασμα, ήταν πιο δροσερή κατά σχεδόν 5 βαθμούς Κελσίου, συγκριτικά με την πλευρά που ήταν καλυμμένη με το βαμβακερό γιλέκο, ανέφεραν οι ερευνητές σε άρθρο τους στο Science.

Το μετα-ύφασμα είναι η τελευταία εξέλιξη σε ένα ευρύτερο αναδυόμενο πεδίο υφασμάτων που μπορούν να θερμαίνουν ή να δροσίζουν αυτήν/η που τα φορά. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτά τα υφάσματα όχι μόνο θα βελτιώσουν την άνεση, αλλά θα μειώσουν τους τραυματισμούς και τους θανάτους από την ακραία ζέστη. Μπορεί ακόμη και να βοηθήσουν στην επιβράδυνση της κλιματικής αλλαγής, μειώνοντας την ανάγκη για κλιματισμό και θέρμανση, η οποία αντιπροσωπεύει περίπου το 10% της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας.

Σε μια δεύτερη δοκιμή του πειράματος με το γιλέκο, το νέο ύφασμα κράτησε τον χρήστη περισσότερο από 3 βαθμούς Κελσίου πιο δροσερό από το βαμβακερό σε διάστημα 30 λεπτών. Η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε επίσης πειράματα με προσομοιωτές δέρματος -χάλκινες πλάκες με θερμαντήρες από κάτω για την αναπαραγωγή της θερμότητας του σώματος- καλυμμένες με μεταϋφάσμα, βαμβάκι, λινό, spandex ή άλλους κοινούς τύπους υφασμάτων. Σε διάστημα 4 ωρών, ο προσομοιωτής που ήταν καλυμμένος με μεταυφάσματα ήταν 5 και 6,8 βαθμούς Κελσίου πιο δροσερός από αυτόν που ήταν καλυμμένος με βαμβάκι και spandex, αντίστοιχα, και 10,2 βαθμούς πιο δροσερός από έναν ακάλυπτο που αναπαριστούσε το γυμνό δέρμα.

Σε ένα τελικό πείραμα, οι ερευνητές συνέκριναν τη θερμοκρασία στο εσωτερικό μοντέλων αυτοκινήτων που καλύφθηκαν με ένα τυπικό κάλυμμα εμπορικών οχημάτων, με μετα-ύφασμα, ή με τίποτα απολύτως. Εκείνο που ήταν καλυμμένο με το μεταϋφάσμα παρέμεινε 27 βαθμούς Κελσίου πιο δροσερό από το άλλο καλυμμένο αυτοκίνητο και 30 βαθμούς πιο δροσερό από το ακάλυπτο.

Το μετα-ύφασμα είναι κατασκευασμένο από συνθετική ίνα με επικάλυψη πολυτετραφθοροαιθυλενίου (κοινώς γνωστό με την εμπορική ονομασία Teflon) και περιέχει μικροσκοπικά νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου, το ίδιο μέταλλο που χρησιμοποιείται στα αντηλιακά. Η θερμότητα από τον ήλιο έρχεται σε διάφορες μορφές, όπως το ορατό φως (τα μήκη κύματος που μπορεί να δει ο άνθρωπος), οι υπέρυθρες και οι υπεριώδεις (UV), οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν ηλιακό έγκαυμα και καρκίνο του δέρματος. Ενώ το διοξείδιο του τιτανίου αντανακλά τους περισσότερους τύπους φωτός, απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία, γι’ αυτό και ζεσταίνεστε όταν φοράτε αντηλιακό. Το τεφλόν, ωστόσο, αντανακλά τα μήκη κύματος της υπεριώδους ακτινοβολίας. Ουσιαστικά, το μετα-ύφασμα αντανακλά σχεδόν όλο το ηλιακό φως.

Το μετα-ύφασμα είναι διαφορετικό από τα ρούχα με δείκτη προστασίας SPF που μπορείτε να αγοράσετε σήμερα. Αυτό το ρούχο απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία προστατεύει τον χρήστη από την καταστροφή του δέρματος, αλλά δεν τον δροσίζει. Άλλα υφάσματα που προσπαθούν να μπλοκάρουν το ηλιακό φως κατασκευάζονται με την επικάλυψη παραδοσιακών υφασμάτων με βαφές και χημικές ουσίες που βασίζονται σε μέταλλα ή αντανακλαστικά, αλλά με την πάροδο του χρόνου, αυτή η επικάλυψη φθείρεται.

Οι μηχανισμοί που διέπουν το μετα-ύφασμα έχουν χρησιμοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές, όπως ανακλαστικά χρώματα για κτίρια και διαστημικά λεωφορεία, αλλά «είναι η πρώτη φορά που έχει κατασκευαστεί σε ένα κλωστοϋφαντουργικό προϊόν», λέει ο YuHuang Wang, καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Βιοχημείας του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Είναι σημαντικό ότι το μετα-ύφασμα λειτουργεί όπως και τα παραδοσιακά κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα. Μπορεί να περιστραφεί σε καρούλια- είναι πιο ελαστικό από το βαμβάκι και τόσο ανθεκτικό όσο το spandex. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις υπάρχουσες εμπορικές ραπτομηχανές και για οποιοδήποτε σχέδιο χωρίς να απαιτείται ειδικός εξοπλισμός ή ράψιμο στο χέρι, σύμφωνα με την επιστημονική ομάδα.

Αυτό μπορεί να βοηθήσει το μετα-ύφασμα να υπερπηδήσει ένα εμπόδιο που αντιμετωπίζουν άλλα υφάσματα διαχείρισης θερμότητας. Ο Τζιοτιρμόϊ Μαντάλ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες, ο οποίος μελετά τα μεταϋλικά και την ψύξη με ακτινοβολία και δεν συμμετείχε στη μελέτη, σημείωσε ότι οι ερευνητές έλαβαν υπόψη τους την άνεση, την ανθεκτικότητα και τις πρακτικές κατασκευής μεγάλης κλίμακας κατά το σχεδιασμό του μεταϋφάσματος, πτυχές που συχνά λείπουν από άλλα υφάσματα ψύξης ή θέρμανσης. «Αυτό που είναι πραγματικά ωραίο, είναι ότι δείχνουν στην πραγματικότητα έναν πολύ κλιμακούμενο τρόπο κατασκευής, πράγμα που σημαίνει ότι θα πρέπει να περιμένουμε να το δούμε να χρησιμοποιείται σύντομα», λέει.

Ωστόσο, το μετα-ύφάσμα μπορεί να αντιμετωπίσει κάποιες εμπορικές προκλήσεις, καθώς η βιομηχανία ένδυσης είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική. «Υπάρχουν πολλές ιδιότητες του υφάσματος που είναι δύσκολο να περιγραφούν, πόσο μάλλον να κατασκευαστούν», λέει η Τζένιφερ Γκέρμπι, διευθύντρια του Οργανισμού Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων-Ενέργειας (ARPA-E) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Ο Έρικ Τόργκερσον, μηχανικός στο εργαστήριο ασφάλειας και επιβιωσιμότητας της SRI International-του οποίου σχετική έρευνα χρηματοδοτήθηκε από την APRA-E- επισημαίνει ότι η προσθήκη σωματιδίων διοξειδίου του τιτανίου σε ένα ύφασμα, όπως γίνεται με το μετα-ύφάσμα, θα μπορούσε να κάνει τα ρούχα βαρύτερα. Και οποιοδήποτε προϊόν κατασκευασμένο από υφάσματα που λειτουργούν με την αντανάκλαση του φωτός είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα πρέπει να είναι λευκό.

(Zeng et al., Science, 2021)

Η ερευνητική ομάδα είπε επίσης ότι τους έχουν προσεγγίσει περίπου 40 με 50 εταιρείες που ενδιαφέρονται να το χρησιμοποιήσουν. Μία από αυτές, η Toread, μια κινεζική εταιρεία υπαίθριων και αθλητικών ειδών, συνεργάζεται με τους ερευνητές για να διερευνήσει την κατασκευή σε μεγάλη κλίμακα. «Αν το μετα-ύφάσμα μπορεί να παραχθεί μαζικά, τα προϊόντα που θα κατασκευαστούν από το ύφασμα θα γίνουν το συντομότερο δυνατό», λέει ο αντιπρόεδρος της Toread, Μπάιρον Τσεν, ο οποίος οραματίζεται ότι το μετα-ύφάσμα θα χρησιμοποιηθεί σε ρούχα, σκηνές, κτίρια, ακόμη και για την ψυχρή αλυσίδα μεταφοράς τροφίμων και εμβολίων.

Εάν το μετα-ύφασμα και άλλα αναδυόμενα υφάσματα ψύξης βρουν το δρόμο τους προς την αγορά, θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ρόλο στην προσαρμογή μας στην κλιματική αλλαγή. Η πρόσφατη έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής των Ηνωμένων Εθνών για την Κλιματική Αλλαγή προβλέπει θερμότερες παγκόσμιες θερμοκρασίες και συχνότερους καύσωνες. Μόνο στις ΗΠΑ, η θερμοπληξία προκαλεί ή συμβάλλει σε περίπου 700 θανάτους κάθε χρόνο– ο αριθμός αυτός αυξάνεται σταθερά με την πάροδο του χρόνου. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας αναμένει ότι η παγκόσμια ζήτηση για κλιματιστικά θα τριπλασιαστεί τα επόμενα 30 χρόνια.

Τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα για την προσωπική διαχείριση της θερμότητας μπορεί μια μέρα να προσφέρουν μια εναλλακτική λύση στα κλιματιστικά. Για το λόγο αυτό, είναι σημαντικό για την επιστημονική ομάδα να κρατήσει τις τιμές χαμηλά. Ο Γκουανγκμίνγκ Τάο, ανώτερος ερευνητής του έργου και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong, λέει ότι τα υλικά και η εργασία αντιπροσωπεύουν συνήθως μόνο ένα μικρό μέρος της συνολικής τιμής των ενδυμάτων- το υπόλοιπο οφείλεται συνήθως σε μια προσαύξηση 55% έως 60% από τους λιανοπωλητές. Εκτιμά ότι η αντικατάσταση του μετα-υφάσματος με άλλο ύφασμα θα αυξήσει το κόστος των υλικών μόνο κατά περίπου 1% τοις εκατό.

«Προσπαθούμε να το κάνουμε όσο το δυνατόν πιο φτηνό, ώστε τότε να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει όλους εκείνους τους ανθρώπους που δεν είναι πλούσιοι ή ισχυροί», λέει ο επικεφαλής του έργου, Γιαογκουάνγκ Μα . «Αυτή είναι μια από τις επιθυμίες μου – να επωφεληθούν οι απλοί άνθρωποι από την τεχνολογία».