Ingenieros mecánicos y científicos de materiales de la Universidad de Virginia, en colaboración con científicos de materiales en Penn State, la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, han inventado un "efecto de conmutación" para la conductividad térmica y las propiedades mecánicas que pueden incorporarse en la fabricación de materiales, incluidos textiles y prendas de vestir.

Utilizando principios de transporte de calor combinados con un biopolímero inspirado en los dientes anulares de calamar, el equipo estudió un material que puede regular dinámicamente sus propiedades térmicas, alternando entre aislante y enfriamiento, en función de la cantidad de agua presente.

La invención es muy prometedora para todo tipo de nuevos dispositivos y materiales con la capacidad de regular la temperatura y el flujo de calor a pedido. incluyendo los tejidos "inteligentes".

"El efecto de conmutación de la conductividad térmica sería ideal para muchas aplicaciones, incluido el atletismo, "dijo John Tomko, un doctorado candidato en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UVA y autor principal de un artículo sobre la invención publicado esta semana en Nanotecnología de la naturaleza . "Este material tiene el potencial de revolucionar el uso activo, desatando la posibilidad de ropa que pueda responder dinámicamente al calor corporal y regular la temperatura. Por ejemplo, el biopolímero tiene una conductividad térmica baja mientras está seco, esencialmente almacenando el calor corporal y manteniendo al atleta (¡y sus músculos!) caliente mientras no está activo. Tan pronto como el usuario comience a sudar, el material podría hidratarse y aumentar instantáneamente su conductividad térmica, permitiendo que este calor corporal escape a través del material y enfríe al atleta. Cuando la persona ha terminado de entrenar y el sudor se ha evaporado, el material podría volver a un estado aislante y mantener abrigado al usuario de nuevo.

"Y si bien puede parecer muy especializado y solo para atletas profesionales, sería igualmente útil desde la perspectiva de una empresa de indumentaria, "dijo Tomko, cuya investigación se está llevando a cabo como parte del Grupo ExSite dirigido por el profesor Patrick Hopkins de los departamentos de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la UVA, Ciencia e Ingeniería de Materiales y Física.

Las prendas fabricadas con esta tecnología estarían un paso por encima de lo que está disponible en el mercado hoy en día debido a la gama extremadamente amplia de capacidades técnicas de los materiales. Por ejemplo, El vellón polar generalmente requiere diferentes pesos para adaptarse a diferentes combinaciones de temperaturas y niveles de actividad. El nuevo material podría adaptarse a toda la gama de escenarios deportivos dentro de una sola prenda. El vellón se considera transpirable, un estado pasivo, pero el material de biopolímero conduciría activamente el calor fuera de la prenda.

"Si bien la realización de tejidos inteligentes térmica y mecánicamente es un avance importante de este trabajo, la capacidad de proporcionar una modificación tan grande y reversible en la conductividad térmica de un material "bajo demanda" tiene aplicaciones potenciales que cambian el juego, "dijo Hopkins, El doctorado de Tomko asesor y codirector de este esfuerzo de investigación con el profesor Melik Demirel en Penn State. "Normalmente se supone que la conductividad térmica de los materiales es estática, propiedad intrínseca de un material. Lo que hemos demostrado es que puede 'cambiar' la conductividad térmica de un material de una manera similar a como encendería y apagaría una bombilla a través de un interruptor en la pared. solo que en lugar de usar electricidad, podemos usar agua para crear este interruptor. Esto permitirá formas dinámicas y controlables de regular la temperatura y / o el flujo de calor de materiales y dispositivos.

"La magnitud de esta relación de conductividad térmica de encendido / apagado es lo suficientemente grande como para que ahora podamos imaginar aplicaciones que incluyan no solo tejidos inteligentes, sino también un reciclaje más eficiente del calor desperdiciado para generar electricidad, Fabricación de dispositivos eléctricos autorreguladores térmicamente. o creando nuevas vías para la producción de energía eólica e hidroeléctrica ".

El proceso de creación de materiales "programables" podría ser una buena noticia para los fabricantes y el medio ambiente. Por lo general, las empresas textiles tienen que depender de diferentes tipos de fibras y diferentes procesos de fabricación para crear ropa con diferentes atributos. pero el aspecto sintonizable de estos materiales significa que se pueden crear atributos de aislamiento y enfriamiento a partir del mismo proceso. Esto podría conducir a menores costos de fabricación y menores emisiones de carbono.

Dientes de anillo de calamar, que hacen posible los materiales programables, son una nueva e inspiradora vía de investigación científica descubierta por primera vez en Penn State. Estos biomateriales contienen propiedades únicas como resistencia, autocuración y biocompatibilidad, haciéndolos excepcionalmente adecuados para la programación a nivel molecular, en este caso para regulación térmica. Estas son más buenas noticias para el medio ambiente, ya que se pueden extraer de las ventosas de los calamares o se pueden producir sintéticamente mediante fermentación industrial, ambos recursos sostenibles.

Los colaboradores de Tomko y Hopkins en la investigación son Abdon Pena-Francesch, ex Ph.D. estudiante en Penn State y ahora miembro von Humboldt en el Instituto Max Planck en Stuttgart, Alemania; Huihun Jung, un candidato a doctorado en ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State; Madhusudan Tyagi, investigador de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; Benjamín D. Allen, profesor asistente de investigación de bioquímica y biología molecular en Penn State; y Demirel, profesor de ingeniería y mecánica y director, Centro de Investigación sobre Tecnologías Avanzadas de Fibra en Penn State.

"La belleza y el poder único de la dispersión de neutrones nos ayudaron a resolver el enigma de cómo las unidades de repetición en tándem realmente influyen en la conductividad térmica observada en muestras hidratadas, ¡ya que el agua pesada simplemente se vuelve 'invisible' para los neutrones! Descubrimos que la dinámica aumentada y 'alterada' de las hebras amorfas era, actualmente, responsable de este aumento de la conductividad térmica en muestras hidratadas, ", dijo Tyagi de la Universidad de Maryland." Creo que esta investigación va a cambiar la forma en que estudiamos las propiedades térmicas de la materia blanda, particularmente proteínas y polímeros, using neutrons as typically hard condensed matter is where most of the work is done in this regard."

Tomko and fellow UVA Engineering researchers, along with graduate students from UVA's Darden School of Business, won first place in a Patagonia outdoor apparel company competition this spring to determine the best ideas for attaining carbon neutrality. Raw materials production is responsible for about 80 percent of Patagonia's total carbon emissions, largely attributed to the production of polyester fabrics derived from fossil fuels. The UVA team proposed that the company transition to biopolymer textiles, which can be engineered solely from renewable resources. The new materials would look and function better than polyester and wool alternatives without relying on fossil fuel.