Исследователи представили ткань, которая охлаждает на солнце и вырабатывает электричество от движений

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане‑Шампейне (США) представили 3D‑печатный материал для «умной» одежды, совмещающий пассивное охлаждение и генерацию электричества от движений человека.

Материал представляет собой нанокомпозит из полидиметилсилоксана и частиц диоксида циркония. Его не наносят на готовую ткань классическими методами покрытия, а печатают на 3D‑принтере, формирую сетчатую структуру. Благодаря этому образец сохраняет гибкость и возможность пропускать пар на уровне хлопковой ткани.

Из‑за высокого преломления диоксида циркония его частицы рассеивают солнечный свет. Так материал отражает около 96% солнечного излучения. Полидиметилсилоксан при этом эффективно излучает тепло в среднем инфракрасном диапазоне с показателем эмиссии около 97%. В результате ткань одновременно меньше нагревается под солнцем и отводит тепло посредством теплового излучения.

В эксперименте материал был на 6–10 °C холоднее хлопка и на 6–14 °C холоднее открытой поверхности кожи. В тестах без дополнительного нагрева температура самой ткани опускалась на 3–6 °C ниже температуры окружающего воздуха. После десятков циклов стирки свойства ткани не изменились.

Ещё одна функция ткани основана на трибоэлектрическом эффекте. При контакте ткани с кожей и последующим разделением поверхностей возникает электрический разряд. Процесс похож на возникновение статического электричества при трении одежды. В оптимальной конфигурации исследователи получили до 140 В напряжения и 1,33 мкА тока, а максимальная удельная мощность составила 47 мВт/м². 

Энергии с помощью такого способа получается мало. В тестах исследователям удалось за минуту зарядить конденсатор ёмкостью 4,7 мкФ примерно до 3 В. От него позже работали калькулятор и секундомер. От повторяющихся движений система запитала 26 светодиодов.

Тот же электрический сигнал можно использовать в качестве датчика движения без отдельного источника питания. Исследователи закрепляли материал на локте и пальцах, а напряжение менялось вместе с углом сгиба. Набор из пяти сенсоров позволял распознавать положения пальцев и отдельные жесты американского жестового языка.

Вместе с этим авторы работы продемонстрировали прототип системы терморегуляции. В спокойном состоянии ткань работает в качестве пассивного охладителя, а в движении создаёт электрический импульс, который включает расположенный под ней нагревательный слой из серебра. Для нагрева при этом использует отдельная цепь с собственным источником питания. Энергия от движения в этом случае нужна только в качестве управляющего сигнала.