In dem Video, das den Materialwissenschaftler und Chemieingenieur Alon Gorodetsky auf den Weg zu seiner neuesten Erfindung gebracht hat, erscheint ein Tintenfisch aus den Algen wie eine Sprungangst in einem Horrorfilm. Die Kreatur verschiebt sich so schnell aus ihrer Tarnfarbe heraus, dass sie sich aus dem Meerwasser zu materialisieren scheint. Dieses „bemerkenswerte“ Video, sagt der Associate Professor an der University of California in Irvine, „hat meine Karriere wirklich verändert, weil ich angefangen habe, an Materialien zu arbeiten, die von Kopffüßern inspiriert sind.“ Zuletzt ließ sich Gorodetsky von einem Tintenfisch inspirieren - insbesondere von seiner Farbe -verändernde Haut - um ein neues Material zu erstellen, das eine einstellbare Wärmemenge aufnehmen oder abgeben kann. „Thermocomfort-Material“, wie sein Team in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt, hat eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten, von wärmeregulierender Kleidung bis zu energiesparenden Beschichtungen für Dächer.
Tintenfische haben Organe, sogenannte Chromatophore, die sich schnell ausdehnen und zusammenziehen können und in weniger als einer Sekunde von Punkt zu Farbfleck 14-mal breiter werden. Die sich ändernden Abmessungen ihrer Flecken bedeuten, dass unterschiedliche Wellenlängen des Lichts von einem bestimmten Punkt auf der Haut des Tieres reflektiert werden können, abhängig davon, ob die Muskeln des Tintenfischs die Chromatophoren geschrumpft oder vergrößert haben. Anstatt sichtbare Lichtwellen zu betrachten, waren Gorodetsky und sein Team daran interessiert, Infrarotlicht zu reflektieren, das wir als Wärme empfinden. Die Forscher haben ein Material hergestellt, das aus einem dünnen Kupferfilm - der Infrarotwärme sehr effektiv reflektiert - auf einer dehnbaren, wesentlich weniger reflektierenden Gummischicht besteht. Die Kupferschicht ist mit Haarrissen bedeckt, sodass die reflektierenden Kupferteile beim Ziehen am Thermokomfort-Material auseinander ziehen und Wärme durch das Polymer (Gummi) zwischen ihnen entweichen kann.
Gorodetsky hat eine praktische Analogie, um die Erfindung seines Labors zu erklären: „Stellen Sie sich vor, Sie haben einen zugefrorenen See oder einen zugefrorenen Ozean und er ist mit Eisschollen bedeckt, all diesen Eisbrocken, die alle nebeneinander liegen. So sieht das Material im Grunde genommen im inaktiven und ungedehnten Zustand aus. Wenn Sie es dehnen, breiten Sie alle Eisschollen auseinander, sodass Sie in unserem Fall das Polymer darunter sehen können. “Wenn Hitze auf das Polymer zwischen den Kupfer-„ Schollen “trifft, wird es durch das Material übertragen, anstatt reflektiert zu werden zurück zu seiner Quelle. Aufgrund der Kupferschicht ist das Material - in Gorodetskys Worten ein „extrem leichtes, dehnbares Gummi“ - glänzend, obwohl seine Farbe beim Strecken heller wird.
In seiner wärmsten Form fängt das Thermocomfort-Material die Wärme fast so effektiv ein (oder reflektiert sie zum Körper hin) wie eine Raumdecke, die aus einer zerknitterten Aluminiumfolie besteht und verwendet wurde, um den Sonnenschein im Weltraum zu reflektieren und die Körperwärme der Marathonläufer nach Rennen aufrechtzuerhalten . Eine Hülle aus Thermokomfort-Material erhöhte die Temperatur des Unterarms des Trägers um fast ein Grad Celsius, nahe der Heizleistung einer Raumdecke. Aber auch das thermoregulierende Material ist beeindruckend vielseitig. Bei verschiedenen Dehnungsgraden kann sich der Träger über eine Spanne von 8, 2 Grad Celsius (etwa 15 Grad Fahrenheit) wohlfühlen. Wenn es zu 30 Prozent gedehnt ist, ähnelt es der Isolationsfähigkeit eines Columbia Omni-Heat-Vlieses. Mit einem Dehnungsfaktor von 50 Prozent hält das Material die Wärme wie Wolle. Wenn Forscher Thermokomfort-Material dehnten, um seine ursprüngliche Länge zu verdoppeln, strömte Wärme durch das Material, als wäre es Baumwolle. Und selbst nachdem die Forscher das Material 1.000 Mal vergrößert und verkleinert hatten, wurde es durch die wiederholte Verwendung nicht abgenutzt.
Da das Thermokomfort-Material mit Kupfer als die die Haut des Trägers berührende innere Schicht getestet wurde, bedeutete dies, dass der Benutzer in seinem kompakten Zustand warm gehalten wurde, indem er die Körperwärme einhielt. Wenn Sie das Material jedoch umdrehen, würde dies laut Gorodetsky der Fall sein Halten Sie Hitze fern, wie ein glänzender Sonnenschutz auf einer Windschutzscheibe.
In dem Nature Communications Paper stellen die Ingenieure eine Vielzahl von Anwendungen vor, darunter die Möglichkeit, dass Thermocomfort-Material eine Rolle bei der Reduzierung der Energiemenge spielt, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur in Räumen eingesetzt wird, die ein Drittel des Energieverbrauchs von Gewerbe- und Wohngebäuden ausmacht Gebäude weltweit. Die Herstellung des Materials sollte laut Gorodetsky so kostengünstig sein wie die Massenproduktion von Raumdecken, die bei REI unter 4 USD kosten, und die Dehnung erfordert im Vergleich zu den Energiekosten einer Wärmepumpe oder Klimaanlage nur einen minimalen Energieverbrauch. Er stellt sich das kupferfarbene Material vor, das Dächer und Fenster beschichtet oder Zelte oder andere Außengeräte überlagert, um den Wärmestrom zu steuern. Es könnte verwendet werden, um die Wärme von der Elektronik abzuleiten (denken Sie beispielsweise daran, wie schnell sich ein Laptop unangenehm erwärmen kann). Gorodetsky erwähnt auch kleinere, alltägliche Anwendungen, wie Tupperware-artige Behälter, um leicht verderbliche Lebensmittel kalt zu halten.
Gorodetsky sagt, sein Labor sei höchst aufgeregt über die Auswirkungen, die das Material auf die Kleidung haben könnte. „Wenn Sie eine Jacke hatten, die jeder tragen konnte und die sich jeder Einzelnen anpassen konnte, um sich über einen größeren Temperaturbereich hinweg wohl zu fühlen, brauchen Sie nur viel weniger Energie einzusetzen, um das Gebäude auf einer einzigen Temperatur zu halten“, erklärt er.
Das Team hat ein Patent angemeldet, obwohl es der nächste Schritt ist, herauszufinden, wie Thermocomfort-Material in Serie hergestellt werden kann, bevor es kommerzielle Anwendungen findet. „Die direkte Umsetzung dieser speziellen [Innovation in den Materialwissenschaften] in Kleidung erfordert einiges mehr Engineering“, sagt Lucy Dunne, Co-Direktorin des Wearable Technology Lab der University of Minnesota, die nicht an der Forschung beteiligt war. "Das größte Fragezeichen für mich ist", sagt Dunne, "wie kriegt man es hin, sich zu dehnen?" Dunne schwebte verschiedene Optionen vor, von Low-Tech-Trägern, die die Enge eines Kleidungsstücks anpassen, bis hin zur futuristisch klingenden Idee der Integration Es enthält Materialien, die darauf trainiert sind, die Form aufgrund von thermischen Auslösern zu verändern. Eine weitere technische Herausforderung, so Dunne, wird es sein, sicherzustellen, dass Thermocomfort-Gewebe atmungsaktiv genug ist, um die Komforterwartungen der Verbraucher zu erfüllen.
Dunne sieht das Material als potenziell nützlich für militärische Tarnungsausrüstung an und hilft dabei, Soldaten vor Infrarotsensoren zu verstecken. Das Interesse an thermoregulierender Wearable-Technologie scheint zuzunehmen, sagt sie. Zu den aktuellen Ansätzen gehören Geräte wie das Embr Wave, das als Armband mit „persönlichem Thermostat“ dient und einen elektrischen Strom durch Keramik- oder Metallplatten leitet, oder ihre eigene Forschung, bei der leitende Fäden in elektrisch betriebene fingerlose Manschetten eingearbeitet werden, die die Wärme auf die Hand des Trägers verteilen . Es gibt infrarotreflektierende Materialien wie Raumdecken oder Omni-Heat von Columbia, aber die eingebaute isolierende Einstellbarkeit von Gorodetskys Thermokomfort-Material zeichnet es aus.
Wenn Sie das nächste Mal kalt werden und sich Ihren „Büro-Pullover“ schnappen, denken Sie nur: Vielleicht tragen Sie eines Tages eine kupferfarbene Jacke, und Sie müssen nur einen Knopfdruck oder einen Ruck am Ärmel nehmen, um es sich bequem zu machen .
