Исследователи из Стэнфордского университета озаботились тем, как согреться в студеную зимнюю пору, и предложили свое оригинальное решение.
Если мы чувствуем, что нам холодно, – значит, тело теряет тепло быстрее, чем его может произвести наш организм. Поэтому ночью мы укрываемся одеялом, а зимой, чтобы не замерзнуть, надеваем теплую одежду. С точки зрения физики шерстяной свитер или пуховик не могут греть – они лишь теплоизолируют тело от внешней среды. В результате тепло, вырабатываемое организмом, нагревает самого человека, а не окружающую среду.
Подсчитано, что в среднем тело человека производит 187 Вт тепла, из которых примерно 24 Вт уходит за счет конвекции, а остальные 163 Вт приходятся на тепловое излучение. Разницу между конвекцией и излучением легко понять на таком примере: когда мы дышим теплым воздухом на замерзшие руки, происходит конвекционный перенос тепла, а если те же самые руки протягиваем поближе к горящему камину, то в этом случае их греет инфракрасное излучение. Обычная одежда хорошо предотвращает конвекцию, но от потерь через излучение защищает слабо. А это значит, что даже в самой теплой куртке мы все равно будем остывать, стоя на морозе.
Такой порядок вещей не устроил исследователей из Стэнфорда, которые, вооружившись знаниями физики и нанотехнологиями, взялись создать самую теплую одежду. Основная задача состояла в том, чтобы сделать материал, который мог бы эффективно отражать инфракрасные лучи, излучаемые человеческим телом. Обычная алюминиевая фольга отлично справилась бы с такой задачей – она эффективно отражает тепловое излучение. Но материал, кроме того, чтобы сохранять тепло, должен быть проницаем для влаги – одежде необходимо «дышать». Физически он должен задерживать инфракрасное излучение, но в тоже время пропускать молекулы водяного пара.
Для этих целей на обычную ткань был нанесен слой из серебряных нанонитей. Нити образуют сетчатую структуру с размером пор порядка 200-300нм, что примерно в 250 раз меньше диаметра человеческого волоса. Длина волн теплового излучения человека составляет приблизительно 9 мкм, поэтому такие лучи полностью отражаются от наносетки. В то же время, диаметра пор достаточно, чтобы через них свободно проходили молекулы воды – их размер около 0,2 нм. Еще одна замечательная особенность подобного материала – его проводимость для электричества. Если по одежде с покрытием из серебряных нанонитей пустить ток – то она будет нагреваться. Для этого вовсе не нужно подключать свитер к розетке и делать из него подобие электрического стула, достаточно использовать напряжение меньше одного вольта – абсолютно безопасное для организма.
Естественный вопрос, сколько серебра пойдет на изготовление подобного материала и насколько такое покрытие будет крепким? Для изготовления одного квадратного метра хлопковой ткани с серебряным нанопокрытием потребуется около 0,1 грамма серебра, что не переводит полученную одежду в категорию драгоценностей. Создатели материала испытали устойчивость своей разработки. Оказалось, что ткань с серебряными нанонитями не утрачивает своих свойств после нескольких циклов стирки. Кроме того, серебро имеет антибактериальное действие, что продлевает срок службы ткани.
Будет ли серебряная нанотехнология согревать еще кого-нибудь, кроме исследователей в холодных лабораториях Стэнфордского университета, – покажет время.
Рис.2 Слева изображен участок ткани, покрытый сетчатой структурой, состоящей из нанонитей серебра. Такой материал отражает тепловое излучение с длиной волны порядка 9 мкм. Кроме того, металлическая проводимость сетки позволяет нагревать ее электрическим током. Справа фотография руки в видимом (сверху) и инфракрасном (снизу) спектре. Синий цвет буквы S на нижней фотографии показывает низкое тепловое излучение от участка, на который было нанесено нанопокрытие серебра. Hsu, et al. ©2014 American Chemical Society
По материалам Phys.org, American Chemical Society
Автор: Максим Абаев
Источник: nkj.ru
Подробнее см.: http://www.nkj.ru/news/25629/ (Наука и жизнь, Серебряные нанонити сохранят тепло)
Фото: Nikhil Tiwale & Stanko Nedic/ Flickr.com