Дослідники зі Стенфордського університету перейнялися тим, як зігрітися в студену зимову пору, і запропонували своє оригінальне рішення.
Якщо ми відчуваємо, що нам холодно, - значить, тіло втрачає тепло швидше, ніж його може зробити наш організм. Тому вночі ми ховаємося ковдрою, а взимку, щоб не замерзнути, одягаємо теплий одяг. З точки зору фізики вовняний светр або пуховик не можуть гріти - вони лише теплоізолюють тіло від зовнішнього середовища. У результаті тепло, що виробляється організмом, нагріває саму людину, а не навколишнє середовище.
Підраховано, що в середньому тіло людини виробляє 187 Вт тепла, з яких приблизно 24 Вт йде за рахунок конвекції, а інші 163 Вт припадають на теплове випромінювання. Різницю між конвекцією і випромінюванням легко зрозуміти на такому прикладі: коли ми дихаємо теплим повітрям на замерзлі руки, відбувається конвекційне перенесення тепла, а якщо ті ж самі руки простягаємо ближче до палаючого каміна, то в цьому випадку їх гріє інфрачервоне випромінювання. Звичайний одяг добре запобігає конвекції, але від втрат через випромінювання захищає слабо. А це означає, що навіть у найтеплішій куртці ми все одно будемо остигати, стоячи на морозі.
Такий порядок речей не влаштував дослідників зі Стенфорда, які, озброївшись знаннями фізики і нанотехнологіями, взялися створити найтепліший одяг. Основне завдання полягало в тому, щоб зробити матеріал, який міг би ефективно відображати інфрачервоні промені, випромінювані людським тілом. Звичайна алюмінієва фольга відмінно впоралася б з таким завданням - вона ефективно відображає теплове випромінювання. Але матеріал, крім того, щоб зберігати тепло, повинен бути проникним для вологи - одягу необхідно «дихати». Фізично він повинен затримувати інфрачервоне випромінювання, але в той же час пропускати молекули водяного пара.
Для цих цілей на звичайну тканину було нанесено шар зі срібних нанонітей. Нитки утворюють сітчасту структуру з розміром пір близько 200-300нм, що приблизно в 250 разів менше діаметра людської волосини. Довжина хвиль теплового випромінювання людини становить приблизно 9 мкм, тому такі промені повністю відбиваються від наносетки. У той же час, діаметра пір достатньо, щоб через них вільно проходили молекули води - їх розмір близько 0,2 нм. Ще одна чудова особливість подібного матеріалу - його провідність для електрики. Якщо по одязі з покриттям зі срібних нанонітей пустити струм - то вона буде нагріватися. Для цього зовсім не потрібно підключати светр до розетки і робити з нього подобу електричного стільця, достатньо використовувати напругу менше одного вольта - абсолютно безпечну для організму.
Природне питання, скільки срібла піде на виготовлення подібного матеріалу і наскільки таке покриття буде міцним? Для виготовлення одного квадратного метра бавовняної тканини зі срібним нанопокриттям потрібно близько 0,1 грама срібла, що не переводить отриманий одяг у категорію коштовностей. Творці матеріалу відчули стійкість своєї розробки. Виявилося, що тканина зі срібними нанонітями не втрачає своїх властивостей після декількох циклів прання. Крім того, срібло має антибактеріальну дію, що продовжує термін служби тканини.
Чи буде срібна нанотехнологія зігрівати ще кого-небудь, крім дослідників в холодних лабораторіях Стенфордського університету, - покаже час.
Рис.2 Ліворуч зображено ділянку тканини, покриту сітчастою структурою, що складається з нанонітей срібла. Такий матеріал відображає теплове випромінювання з довжиною хвилі близько 9 мкм. Крім того, металева провідність сітки дозволяє нагрівати її електричним струмом. Справа фотографія руки у видимому (зверху) та інфрачервоному (знизу) спектрі. Синій колір букви S на нижній фотографії показує низьке теплове випромінювання від ділянки, на яку було нанесено нанопокриття срібла. Hsu, et al. ©2014 American Chemical Society
За матеріалами Phys.org, American Chemical Society