Учёные создали «умную» ткань на основе фазового перехода для защиты от холода

Учёные разработали новый тип ультралёгкого текстильного материала, который визуально и тактильно напоминает хлопок, но при этом не впитывает влагу и способен активно регулировать теплообмен между телом человека и окружающей средой. Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters и описывает подход к созданию синтетического волокна, которое сочетает мягкость природных материалов с функциональностью «умных» терморегулирующих систем.

Проблема традиционного хлопка заключается в его высокой гигроскопичности. При намокании или высокой влажности волокна начинают активно поглощать воду, из-за чего материал теряет воздушную структуру, становится плотным и начинает быстрее отводить тепло от тела. В условиях холода это превращает хлопковую одежду в фактор риска, так как она ускоряет переохлаждение организма. Однако в жаркую погоду этот же эффект может быть полезен, поскольку способствует охлаждению за счёт испарения влаги.

Исследователи подчёркивают, что попытки улучшить теплоизоляционные свойства природных волокон уже предпринимались ранее. Одним из подходов было нанесение фазо-переходных покрытий, способных накапливать и высвобождать тепло в зависимости от температуры. Такие вещества меняют агрегатное состояние и тем самым регулируют тепловой поток. Однако у существующих решений есть существенные недостатки: покрытия могут делать ткань жёсткой, а также со временем разрушаться или даже просачиваться на поверхность одежды.

Чтобы устранить эти ограничения, команда исследователей, включая Цюань Ши при участии соавторов Шихуэй Чжан и Чжихуа Чжан, разработала новую структуру синтетических волокон, вдохновлённую пористой и воздушной архитектурой хлопка. Внутри полимерной сети были распределены микроскопические капсулы с углеводородным фазо-переходным веществом. Эти капсулы встроены непосредственно в структуру волокна, а не нанесены снаружи, что обеспечивает стабильность и долговечность материала.

Принцип работы нового материала основан на способности фазо-переходного вещества менять своё состояние в зависимости от температуры окружающей среды. При низких температурах оно затвердевает и способствует удержанию тепла, создавая плотные микрозоны внутри волокнистой структуры. При повышении температуры вещество переходит в более жидкое состояние, структура ослабевает и теряет жёсткость, и ткань начинает лучше отводить избыточное тепло, предотвращая перегрев.

В лабораторных испытаниях исследователи использовали образцы размером примерно 15 на 50 сантиметров, которые можно было формировать как в компактные «пушистые» структуры, так и в плоские полотна. В ходе тестов было установлено, что материал практически не впитывает ни водяной пар, ни капли воды, тогда как натуральный хлопок быстро насыщается влагой. Это подтверждает выраженные гидрофобные свойства нового волокна, что особенно важно для использования в экстремальных погодных условиях.

Также было показано, что материал сохраняет гибкость и механическую прочность при многократных деформациях. Он не теряет структуры при сгибании и растяжении, что делает его пригодным для использования в реальной одежде, которая постоянно подвергается механическим нагрузкам.

Отдельные эксперименты продемонстрировали способность ткани автоматически переключаться между режимами удержания и отдачи тепла в зависимости от температуры воздуха. При испытаниях в условиях около минус 25 °C материал удерживал тепло значительно эффективнее, чем обычный хлопок аналогичной толщины: рука, обёрнутая в новый текстиль, оставалась заметно теплее по сравнению с контрольным образцом.

Дополнительным преимуществом стала устойчивость к стирке и износу. После 20 циклов промышленной стирки материал сохранял около 97 процентов своих теплоизоляционных свойств, не терял объём и возвращался к исходной воздушной структуре. Исследователи подчёркивают, что микрокапсулы надёжно удерживают фазо-переходное вещество, предотвращая его утечку и деградацию, что критично для долгосрочного применения в одежде.

Таким образом, разработка представляет собой перспективный шаг в сторону создания интеллектуальных текстильных материалов, способных одновременно адаптироваться к изменениям температуры, защищать от переохлаждения и предотвращать перегрев, сохраняя при этом комфорт и лёгкость традиционного хлопка.

Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters.