Jedno ubranie na śnieg i upał? Naukowcy już nad tym pracują!

Sporo mówi się o tym, by ograniczyć kupowanie nowych ubrań, starać się kupować używane czy proponuje się produkcję serii biorąc pod uwagę analizę zapotrzebowania na dany rozmiar. Dla niektórych typów ubrań już jakiś czas temu wprowadzono rozmiar one-size czy oversize, co ponoć pozwala zredukować koszty produkcji. Coraz więcej ubrań jest też wykonanych z materiałów pochodzących z recyklingu. To tylko kilka przykładów działań w branży odzieżowej.

Jednak oprócz trendsetterów czy projektantów, są również zespoły naukowców, którzy zajmują się tworzeniem inteligentnych tekstyliów i rozwiązań, by jak najlepiej dostosować materiały do naszych sylwetek czy do zmieniających się warunków pogodowych.

Jednym z ciekawszych rozwiązań było to zaproponowane przez naukowców z MIT we współpracy z Ministry of Supply, Hills Inc. i Uniwersytetem Stanu Iowa przy wsparciu Advanced Functional Fibers of America. Chodzi o projekt inteligentnych tekstyliów, które pozwalają na stworzenie ubrania dopasowanego do sylwetki danej osoby [1,2]. Takie dopasowanie jest możliwe dzięki uprzedniemu zeskanowaniu sylwetki, a dane metryczne są wykorzystywane podczas projektowania ubioru [3].

Na technologię składają się trzy elementy: włókna o różnej czułości na ciepło, komputerowo wspomagane tkanie, a na koniec aktywacja cieplna stroju. Jeśli chodzi o czułość na ciepło, to w tkaninie znajdują się dwa rodzaje włókien: syntetyczne, które rozciągają się pod wpływem ciepła i naturalne, które nie reagują wcale na podgrzanie. Po zaprogramowaniu wzoru następuje dzierganie ubrania na płasko. W ostatnim etapie ma miejsce aktywacja termiczna. Proces jest prowadzony z udziałem robotów i podgrzewany jest tylko wyznaczony kawałek przyszłego swetra, by w danym miejscu osiągnąć dopasowanie do sylwetki.

Nie można zapomnieć, że główną cechą ubrania jest to, że powoduje pochłanianie promieniowania podczerwonego o długości ok. 10 mikrometrów, które emitujemy przez skórę. Dzięki temu jest nam ciepło, gdy mamy mroźną pogodę. Dlatego otulamy się zimą w kolejne warstwy by zatrzymać jak najwięcej energii, a potem gdy jest coraz cieplej, zmieniamy ubranie na przewiewne, by uwolnić na zewnątrz naszą energię, którą wypromieniowujemy do otoczenia.

Współcześnie bardzo często w ciągu dnia przechodzimy między klimatyzowanym biurem czy samochodem, gdzie jest przyjemnie chłodno lub cieplej, a środowiskiem naturalnym, gdzie panuje o wiele wyższa lub niższa temperatura. Odczuwamy też zmiany w wilgotności. Dlatego niezmiernie ważne jest wykonanie takiej odzieży, która dopasowywałaby się do zmian otoczenia, po prostu byłaby bardziej praktyczna i wygodna - nie trzeba by było tak często zdejmować czy zakładać dodatkowych ubrań.

Grupa Zhanga [4] zaprojektowała tekstylia na bazie polimerowych nici pokrytych nanorurkami węglowymi. Materiał reaguje na zmiany warunków zewnętrznych i uwalnia ciepło, gdy zmienia się temperatura i wilgotność. Celem rozwiązania jest odprowadzenie ciepła z powierzchni ciała wtedy, gdy jest taka potrzeba.

Naukowcy pokazali, że można skutecznie modulować promieniowanie podczerwone o ponad 35% wraz ze zmianą wilgotności powierzchni skóry. Gdy jest gorąco i/lub wilgotno przędza zapada się i wtedy zbliżają się do siebie meta-elementy na sąsiednich włóknach, aby wywołać rezonansowe sprzężenie elektromagnetyczne. Właśnie to sprzężenie przesuwa zakres emisyjności tkaniny i w ten sposób skutecznie poprawia się wymiana ciepła. Jednocześnie dochodzi do zmiany rozmiarów porów w tkaninie i do wymiany ciepła na zasadzie konwekcji, przewodzenia, odparowania oraz/lub bezpośredniej transmisji podczerwieni. Pokazano również, że opracowana przędza może być tkana, farbowana i prana, podobnie jak inne tkaniny.

Już nieco wcześniej, bo w 2016 r. prototyp takiej tkaniny został zaproponowany przez naukowców ze Stanford [5], ale pozwalała ona na ochłodzenie tylko o 2,7 stopnia. Sama tkanina była bardzo cienka. Miała raptem 45 mikrometrów grubości, co zdecydowanie podważało jej trwałość. Co prawda autorzy wskazywali, że te warstwy są stabilne i mogą być barwione, ale też mówili, że należałoby zweryfikować jak cecha chłodzenia zachowa się wraz z poceniem, wieloma cyklami prania czy wystawieniem na promieniowanie UV.

W 2021 roku inżynierowie m.in. z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Huazhong i Uniwersytetu Zhejiang [6] opracowali inny materiał, tym razem o grubości 0,55 mm. Jest to wielowarstwowa meta-tkanina złożona z kompozytu kwasu polimlekowego z ditlenkiem tytanu, który jest pokryty teflonem. Funkcją ditlenku tytanu i powłoki teflonowej jest odbijanie promieniowania UV i vis, a włókna kwasu polimlekowego emitują światło podczerwone.

Następnie naukowcy użyli tkaniny do uszycia połowy kamizelki, przy czym druga połowa była zrobiona z tradycyjnego materiału. W takim ubraniu osoba testująca została wystawiona na promieniowanie słoneczne. Po upływie godziny dokonano pomiaru temperatury w dwóch różnych częściach ubrania. Różnica wynosiła 5°C, a osoba, która miała na sobie kamizelkę podczas eksperymentu stwierdziła, że zdecydowanie odczuwa tę różnicę. To dopiero początek badań, bo należy zweryfikować jak długo ten efekt się utrzyma, gdy ubranie nie będzie tak dobrze dopasowane lub gdy osoba nosząca będzie się przemieszczać a nie tylko siedzieć wystawiona na słońce. Jeśli zaś chodzi o koszty, to przewiduje się, że cena takiej odzieży zwiększy się o 10% w porównaniu do tradycyjnej.

Na koniec jeszcze jedno rozwiązanie, w którym szczególnie wzięto pod uwagę sytuację, kiedy nasz organizm się poci. A jak wiemy nie ma nic gorszego niż mokre, przepocone ubranie. Innowację zaproponowali inżynierowie materiałowi z Uniwersytetu Duke [7]. Opracowali oni lekki materiał, który gdy jest suchy, potrafi gromadzić energię termiczną. Jest to materiał na bazie nylonu pokryty bardzo cienką warstwą srebra. Gdy osoba poci się, to układ niewielkich otworów wentylacyjnych obecnych w tkaninie jest aktywowany. Proces jest odwracalny, gdy energia zostaje uwolniona, otworki się zamykają, by dalej utrzymywać ciepło. Co ważne, nie trzeba tutaj używać żadnych sensorów elektronicznych, a zjawisko ma charakter fizyczny. Pierwszy prototyp miał, co prawda dość spore otwory wentylacyjne, ale autorzy wynalazku zapewniają, że mogą być one o wiele mniejsze przy zachowaniu swojej funkcji i że można nadać materiałowi dowolny kolor.

Badania naukowe nad innowacyjnymi tkaninami są uzasadniane nie tyle trendami, co nasilającym się globalnym ociepleniem, i tym, że nawet w bardzo gorący dzień zmieniamy lokalizację z bardzo ciepłego środowiska naturalnego do klimatyzowanego pomieszczenia. Wtedy nasza funkcyjna odzież pozwoli nam szybko zaadaptować się do zmian, bez konieczności ubierania czy zdejmowana kolejnych warstw.

Literatura

[1] selfassemblylab.mit.edu/active-textile-tailoring dostęp z dnia 20.01.2022

[2] L. Tessmer, et al. Active textile tailoring, SIGGRAPH '19: ACM SIGGRAPH 2019 Emerging Technologies, 07.2019 Article No.: 6

[3] D. Buecher, Y.-S. Gloy, B. Schmenk, T. Gries, Individual On-Demand Produced Clothing: Ultrafast Fashion Production System, Customization 4.0 pp 635-644

[4] X.A. Zhang, et al. Dynamic gating of infrared radiation in a textile, Science 363 (2019) 619-623

[5] P.C. Hsu et al., Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile, Science 353 (2016) 1019-1023

[6] S. Zeng et al. Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling, Science 373 (2021) 692-696

[7] X. Li et al., Metalized polyamide heterostructure as a moisture-responsive actuator for multimodal adaptive personal heat management, Science Advanced 7, 5 (2021)