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Jun 23, 2023

Energie

Ein neues thermoregulierendes Textil sorgt dank eines leitfähigen Polymers, das so modifiziert werden kann, dass es die Menge der abgegebenen Infrarotstrahlung anpasst, für ein angenehmes Tragegefühl bei minimalem Energieaufwand.

Ein neues thermoregulierendes Textil sorgt dank eines leitfähigen Polymers, das so modifiziert werden kann, dass es die Menge der abgegebenen Infrarotstrahlung anpasst, für ein angenehmes Tragegefühl bei minimalem Energieaufwand. Nach Angaben der Textilentwickler an der University of Chicago, der North Carolina State University und der Duke University (alle in den USA) könnte das neue „tragbare Gerät mit variabler Emission“ oder WeaVE zur Herstellung intelligenter Wärmemanagementstoffe der nächsten Generation verwendet werden .

Viele Tiere sind gut darin, Infrarotstrahlung (IR) zu manipulieren, um sich aufzuwärmen und abzukühlen. Sahara-Silberameisen beispielsweise leiten überschüssige Wärme dank dreieckiger Haare an ihrem Körper ab, die je nach Sonnenstand unterschiedliche Mengen an Nahinfrarotstrahlen reflektieren. Im Gegensatz dazu absorbiert und gibt der menschliche Körper Wärme hauptsächlich durch IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 Mikrometern ab, und unsere Haut ist nicht in der Lage, diesen Wellenlängenbereich in Echtzeit zu steuern, um uns bei der Regulierung der Körpertemperatur zu helfen. Forscher entwickeln deshalb Textilien, die uns das abnehmen können.

Das neue WeaVE-Gerät besteht aus drei Schichten: einer aktiven Schicht aus einem leitenden Polymer namens Polyanilin (PANI); metallisiertes Nylon; und ein halbfester Elektrolyt. Wenn an diese Schichtstruktur eine kleine Spannung angelegt wird, wechselt das aktive Material zwischen einem durchlässigen dielektrischen Zustand und einem verlustbehafteten metallischen Zustand. Jeder Zustand hat einen anderen Emissionsgrad, sodass durch Umschalten zwischen ihnen die Menge der vom Stoff abgegebenen Wärmestrahlung angepasst werden kann, um ihn entweder wärmeabgebend (kühlend) oder hitzeabschirmend (heizend) zu machen.

„Das Textil kann so für ein angenehmes Tragegefühl des Trägers sorgen, indem es reguliert, wie viel Körperwärme gespeichert und wie viel abgestrahlt wird“, erklärt Po-Chun Hsu aus Chicago, der zusammen mit Jie Yin von NC State das Entwicklungsteam leitete. „Auf diese Weise würde der Benutzer unabhängig von der Außentemperatur die gleiche Hauttemperatur spüren.“

Ein großer Vorteil des WeaVE besteht darin, dass die elektrochemische Abstimmung zur Modifizierung seines Strahlungswärmetransports nur einen geringen Energieaufwand erfordert. Diese Art der Wärmeregulierung wird als „adaptiv“ bezeichnet, was bedeutet, dass sie auf der Modulation des Wärmeübertragungskoeffizienten des Materials beruht und weitaus weniger Energie verbraucht als „aktive“ Technologien, die elektrische Wärme oder zirkulierendes Wasser nutzen, um Wärmeenergie zu erzeugen oder zu pumpen. Dadurch ist der Energiebedarf zur Aufrechterhaltung des Wärmehaushalts nahezu Null. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das metallisierte Nylon im Stoff in einem Muster im Kirigami-Stil geschnitten ist, wodurch es sich dehnen und mit dem Körper des Benutzers bewegen kann, während die Verbindungen und die Konfiguration der elektrochemischen Zelle vollständig erhalten bleiben.

Die Flexibilität und der geringe Energieverbrauch des WeaVE bedeuten, dass er in nachhaltigen Textilien und Stoffen der nächsten Generation eingesetzt werden könnte, die es den Benutzern ermöglichen, sich an ihre Umgebung anzupassen, sagt Hsu. „Da thermischer Komfort ein sehr individuelles und subjektives Konzept ist, wäre es von Vorteil, wenn der Kühl-/Wärmeeffekt für jeden individuell auf seine Gefühle und die Umgebung zugeschnitten wäre“, sagt er gegenüber Physics World. „Wir hoffen auch, dass diese Arbeit zukünftige Forschungen sowohl zur Materialwissenschaft leitender Polymere als auch zur Entwicklung intelligenter tragbarer persönlicher Thermoregulierungsgeräte inspirieren könnte.“

„Janus Textil“ hält Sie warm und kühlt Sie ab

Die Forscher arbeiten nun daran, weitere elektrochemisch abstimmbare thermische Materialien auf Basis leitender Polymere zu demonstrieren. „Die grundlegenden Studien der Polymerphysik und der Licht-Materie-Wechselwirkung der elektrochromen Mechanismen sind auch unser Hauptaugenmerk, was nicht nur wissenschaftlich interessant ist, sondern uns auch zu leistungsfähigeren Polymeren führen kann“, sagt Hsu.

Sie beschreiben ihre aktuelle Arbeit im PNAS Nexus.