Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Tkanina, która może chłodzić albo ogrzewać

Recommended Posts

Opracowany w Belgii nowy materiał do produkcji ubrań może nas ogrzewać lub chłodzić, wszystko zależy od tego, którą stroną go włożymy. Symulacje przeprowadzone przez Muluneha Abebe i jego kolegów z belgijskiego Uniwersytetu w Mons wykazały, że ubrania z tego materiału zapewniają komfort termiczny w temperaturach różniących się nawet o 13 stopni.

Gdy znajdujemy się na zewnątrz około połowy ciepła tracimy przez zjawiska przewodnictwa i konwekcji. Ogrzewać możemy się nakładając kolejne warstwy ubrań. Jednak drugą część ciepła tracimy przez promieniowanie podczerwone, zarówno ze skóry jak i powierzchni okrywających nas ubrań. W tym wypadku możemy bronić się przed utratą ciepła blokując promieniowanie podczerwone, lub też chłodzić się – zwiększając je.

Już podczas wcześniejszych badań belgijscy naukowcy wykazali, że niektóre materiały mogą efektywnie absorbować promieniowanie podczerwone z powierzchni naszej skóry, a następnie efektywnie je uwalnia do otoczenia. W ten sposób ułatwiają nam chłodzenie się.

Dotychczas jednak tego typu materiały zawierały nieprzepuszczalne membrany, które więziły powietrze i wilgoć, więc ich noszenie byłoby niekomfortowe. Abebe i jego zespół zaprezentowali teoretyczny model materiału o grubości 20 mikrometrów, który składa się z dwóch różnych warstw. Jednej wytworzonej z włókien dielektrycznych, drugiej z włókien metalicznych. Włókna dielektryczne emitują duże ilości promieniowania podczerwonego, zaś włókna metaliczne charakteryzuje niska emisja.
Po stworzeniu takiego modelu naukowcy obliczyli jego właściwości transmisji promieniowania podczerwonego, jego odbijania i absorpcji. Z obliczeń wynika, że jeśli materiał dotykałby skóry, zapobiegałby ucieczce ciepła i odczuwalibyśmy komfortowe ciepło w temperaturze nawet 11 stopni Celsjusza. Z kolei po odwróceniu na drugą stronę efektywnie by nas chłodził w temperaturze dochodzącej do 24 stopni Celsjusza.

Nowy materiał byłby elastyczny i wygodny w używaniu, a przestrzenie między włóknami umożliwiałyby ucieczkę wilgoci. Abebe przyznaje, że ze względu na wysokie koszty wytworzenia takiego materiału, na pewno nie pojawi się on na rynku w najbliższym czasie. Jednak uczeni mają nadzieję, że ich badania zainspirują kolejne grupy naukowe i w końcu pojawią się wygodne tanie ubrania o właściwościach chłodzących i ogrzewających.

Materiał został opisany na łamach Physical Review Applied.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po 266 latach udało się pokonać zjawisko Leidenfrosta, dzięki czemu naukowcy z City University of Hong Kong mogli pochwalić się stworzeniem efektywnego systemu chłodzenia cieczą, który sprawdza się w temperaturach nawet powyżej 1000 stopni Celsjusza. System taki można będzie zastosować w silnikach lotniczych, rakietowych oraz poprawić dzięki niemu stabilność i bezpieczeństwo pracy reaktorów atomowych przyszłej generacji.
      Zjawisko Leidenfrosta od wieków fascynuje naukowców, a niedawno informowaliśmy o odkryciu jego nowej odmiany. Zjawisko to zostało odkryte w 1756 roku. Powoduje ono, że krople cieczy spadając na bardzo gorącą powierzchnię nie odparowują od razu, ale poruszają się, lewitując nad nimi. Ich odparowanie może potrwać dłuższa chwilę. Pomiędzy kroplą a powierzchnią tworzy się bowiem warstwa pary, która znacząco obniża transfer energii z powierzchni. Przez to chłodzenie cieczą bardzo gorących powierzchni jest nieefektywne. Przez ponad 200 lat nie potrafiono poradzić sobie z tym problemem.
      Naukowcy z Hongkongu stworzyli powierzchnię o zróżnicowanej teksturze, której główne elementy mają różne właściwości termiczne i geometryczne. Nowatorska struktura złożona jest z trzech zasadniczych elementów. Pierwszy z nich to wystające ponad powierzchnię miniaturowe filary służące do transferu energii. Drugi, to termiczna warstwa izolująca umieszczona pomiędzy filarami, której zadaniem jest zassanie i odparowanie cieczy. Zaś element trzeci, to znajdujące się pod warstwą izolującą mikrokanaliki w kształcie litery U, służące do odprowadzenia pary. Eksperymenty wykazały, że taka architektura zapobiega powstawaniu zjawiska Leidenfrosta nawet w temperaturach dochodzących do 1150 stopni Celsjusza i pozwala na efektywne kontrolowane chłodzenie cieczą w zakresie od 100 do ponad 1150 stopni.
      Nasze multidyscyplinarne badania to prawdziwy przełom w nauce i inżynierii. Połączyliśmy tutaj naukę o powierzchniach, hydro- i aerodynamice, chłodzeniu, nauki materiałowe, fizykę, wiedzę z dziedziny energii i inżynierii. Poszukiwanie nowych strategii w dziedzinie chłodzenia cieczami to ważny obszar badawczy inżynierii materiałowej od 1756 roku. Udało nam się pozbyć zjawiska Leidenfrosta. W ten sposób dokonaliśmy zmiany paradygmatów dotyczących możliwości chłodzenia cieczą w bardzo wysokich temperaturach. Dotychczas nikomu nie udało się tego osiągnąć, cieszy się profesor Wang Zunkai.
      Uczony wyjaśnia, że pojawianie się zjawiska Leidenfrota powoduje, że tam, gdzie mamy do czynienia z bardzo wysokimi temperaturami wykorzystujemy chłodzenie powietrzem, zamiast potencjalnie bardziej efektywnego chłodzenia cieczą. Ma to miejsce szczególnie w silnikach samolotowych, rakietowych i reaktorach jądrowych. Dodaje, że nowatorską strukturę można produkować w formie elastycznej okładziny do mocowania na elementach, które mają być chłodzone. To szczególnie ważne tam, gdzie bezpośrednie stworzenie takiej struktury na etapie produkcji urządzenia byłoby trudne.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowy półprzewodnik, arsenek boru (BAs), ma wysoką przewodność cieplną i może być zintegrowany ze współczesnymi chipami, by odprowadzić z nich ciepło i poprawić tym samym ich wydajność. Materiał ten lepiej rozprasza ciepło niż najlepsze dostępnie obecne systemy do chłodzenia podzespołów komputerowych – twierdzą twórcy arsenku boru.
      Coraz większa miniaturyzacja, możliwość umieszczenia na tej samej powierzchni coraz większej liczby tranzystorów, oznacza, że procesory są coraz szybsze. Pojawiają się jednak problemy z odprowadzaniem ciepła, szczególnie w postaci lokalnych punktów znacznie wyższej temperatury. Ciepło to negatywnie wpływa na wydajność układów.
      Yongjie Hu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzył niedawno wolny od wad arsenek boru. To materiał, który rozprasza ciepło znacznie lepiej niż inne metale i półprzewodniki, jak diament czy węglik krzemu. Hu i jego koledzy wykazali też, że można go zintegrować z układami scalonymi zawierającymi tranzystory z azotku galu. Następnie przeprowadzili badania, które wykazały, że w układzie scalonym ze zintegrowanym arsenkiem boru, pracującym z niemal maksymalną wydajnością, temperatura najcieplejszych punktów jest znacznie niższa niż w układach chłodzone za pomocą innych materiałów.
      W czasie eksperymentów punktowa temperatura układów scalonych z arsenkiem boru wzrosła od temperatury pokojowej do nieco poniżej 87 stopni Celsjusza, podczas gdy chłodzonych diamentem wyniosła niemal 137 stopni, a chłodzonych węglikiem krzemu – zbliżyła się do 167 stopni Celsjusza.
      Wykazaliśmy, że możemy przetwarzać strukturę BAs i integrować ją z chipem o wysokiej mobilności elektronów. To bardzo obiecujące rozwiązanie dla wysoko wydajnej elektroniki, mówi Hu.
      Dodatkową zaletą arsenku boru jest jego bardzo niski opór cieplny na styku z innym materiałem. To zaś oznacza, że transport ciepła odbywa się szybciej niż w przypadku konkurencyjnych rozwiązań. To tak, jakby ciepło mogło przeskoczyć przez przeszkodę, jaką stanowi styk dwóch materiałów, w porównaniu z innymi rozwiązaniami, gdzie zwalnia, by ostrożnie przeszkodę przekroczyć, wyjaśnia Hu.
      Naukowcy, zachęceni wynikami swoich eksperymentów, planują teraz zintegrować swój materiał z różnymi rodzajami obwodów i chipami o różnej architekturze.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dla nas, specjalistów od tekstyliów, to coś niezwykłego. Jesteśmy szczęśliwi, gdy znajdziemy kawałek materiału o wymiarach 1 na 1 centymetr. Tutaj mamy 11 centymetrów, fakt, że jest to tkanina haftowana, to coś unikatowego, cieszy się archeolog Ruth Iren Øien. Znalezisko jest tak unikatowe, że gdy Øien spojrzała w mikroskop, nie mogła uwierzyć w to, co widzi.
      W 2020 roku podczas wykopalisk w grobie kobiety w Hestnes w norweskiej gminie Trøndelag, znaleziono broszę w kształcie żółwia. Wraz z nią zachował się fragment tkaniny, do której brosza była niegdyś przypięta. Już sam ten fakt był niezwykle interesujący, tym bardziej, że pochówek datowano na lata 850–950, na sam środek epoki wikingów. Jednak dopiero niedawne badania pokazały, jak niezwykłego odkrycia dokonano.
      Zmarłą kobietę pochowano w drewnianej komorze grobowej w wydłużonym kurhanie. Tego typu pochówki są czymś niezwykłym w środkowej Norwegii. Takie komory grobowe są rozpowszechnione w na wyspie Birka w Szwecji, na byłych terenach duńskich w tym w Skanii, w południowo-wschodnich częściach Norwegii oraz w Hedeby w dzisiejszych Niemczech, mówi kierownik wykopalisk Raymond Sauvage.
      Nie tylko forma grobu, ale również jego wyposażenie były niezwykłe. Kobietę pochowano wraz z trzyczęściową broszą, rzadko spotykaną w Norwegii oraz z kilkuset miniaturowymi perłami, również rzadko spotykanymi w Norwegii. Perły były skupione nad prawym ramieniem. Nie wiemy, czy był to perłowy naszyjnik czy coś innego. Podobne znalezisko z Hedeby zinterpretowano jako pozostałość po hafcie. Niewykluczone, że mamy tutaj do czynienia z podobnym przypadkiem, dodaje Sauvage.
      Jednak najbardziej niezwykłym znaleziskiem są tekstylia.
      Naukowcy odkryli prawdopodobnie pozostałości 8 różnych tekstyliów, 6 wełnianych i 2 lnianych. Różnią się one jakością wykonania, strukturą i wyglądem. Różnice te mogą wynikać z faktu, że dawniej ubrań nie pozbywano się tak łatwo, jak obecnie. W epoce wikingów, żeby ubrać całą rodzinę jedna osoba musiała pracować przez cały rok. Mało kto mógł pozwolić sobie na nowe ubrania każdego roku, a wiele z nich było przekazywanych między pokoleniami, mówi Øien.
      Przed tysiącem lat uzyskanie tekstyliów kosztowało wiele pracy i wysiłku. Specjaliści szacują, że ożaglowanie łodzi wikingów wymagało wełny z 2000 owiec i olbrzymiego nakładu pracy. W przełożeniu na dzisiejsze ceny takie ożaglowanie kosztowało od 15 do 20 milionów koron norweskich. Innymi słowy, fakt, że wspomniana kobieta została pochowana z tak dużą liczbą różnych tekstyliów oznacza, że zabrała ze sobą do grobu spory majątek.
      Łatwo więc zrozumieć, że znalezienie w grobie wielu różnych dobrze zachowanych tekstyliów jest czymś niezwykłym. Dzięki temu jednak archeolodzy mogą wyobrażać sobie, jak zmarła była ubrana.
      Wyobrażamy sobie, że nosiła sukienkę, spiętą broszami. Pod nią miała prawdopodobnie koszulę z lnu lub delikatniejszej wełny. Na ramionach miała haftowaną zdobioną pelerynę. Na jej krawędziach pozostały resztki lamówki. Mogła ona wzmacniać krawędzie i je ozdabiać, mówią naukowcy.
      Pod mikroskopem widać też pozostałości różnych pigmentów. Jako, że były to pigmenty naturalne, bez użycia sztucznych środków chemicznych, określenie kolorów będzie bardzo trudne. Łatwiejsze powinno być określenie pochodzenia wełny. Materiał zachował się na tyle dobrze, że naukowcy mają nadzieję na wykonanie analizy izotopowej, która zdradzi, czy wełna pochodziła z lokalnych owiec czy też była importowana.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Woda znajdująca się na zimnej powierzchni zanim zamarznie musi się ogrzać. Odkrycie dokonane przez naukowców z Cambridge University i Uniwersytetu Technologicznego w Grazu pozwoli lepiej zrozumieć i kontrolować proces zamarzania.
      Anton Tamtögl i jego zespół przeprowadzili eksperymenty z molekułami wody umieszczonymi na zimnym grafenie i zauważyli, że początkowo odpychają się one od siebie. Dopiero pojawienie się dodatkowej energii pozwala im na zmianę orientacji i utworzenie wiązań elektrostatycznych.
      Gdy woda trafia na zimną powierzchnię, zachodzi proces nukleacji, w wyniku którego molekuły tworzą wiązania i błyskawicznie pojawiają się kryształy lodu. Zjawisko to było intensywnie badane w skali makroskopowej. Jednak trudno je badać na poziomie molekuł, gdyż zamarzanie zachodzi bardzo szybko, w czasie pikosekund.
      Naukowcy z Cambridge wykorzystali nowatorką technikę badawczą zwaną echem spinowym helu-3. Polega ona na rozpraszaniu strumienia spolaryzowanych atomów helu. Atomy docierają do badanych powierzchni w skoordynowanych pakietach, a czas pomiędzy kolejnymi pakietami mierzony jest w pikosekundach. Ruch molekuł na powierzchni powoduje różnice w fazach pakietów. A różnice te można wychwycić i na ich podstawie badać zjawiska zachodzące w czasie pikosekund.
      Badania ujawniły, że początkowo wszystkie molekuły wody przyczepiają się do zimnej powierzchni grafenu w ten sam sposób, z oboma atomami wodoru przy powierzchni i atomem tlenu powyżej. Molekuły wody są dipolami. Od strony tlenu mamy ładunek ujemny, od strony wodoru – dodatni. Tak więc pomiędzy identycznie zorientowanymi molekułami dochodzi do odpychania się, co uniemożliwia nukleację. Naukowcy zauważyli, że zjawisko to może zostać przezwyciężone poprzez ogrzanie molekuł. Dopiero wówczas zmieniają one orientację tak, że zaczynają się przyciągać, co rozpoczyna proces nukleacji.
      Naukowcy, chcąc lepiej zrozumieć to zjawisko, przeprowadzili symulacje komputerowe ukazujące zachowanie molekuł wody przy różnych energiach. Zgodnie z ich oczekiwaniami, symulacje wykazały, że zmieniając ilość ciepła dostarczonego do molekuł, można powstrzymywać lub rozpoczynać proces nukleacji.
      Odkrycie może doprowadzić do opracowania nowych technik ochrony przed formowaniem się lodu na skrzydłach samolotów, turbinach wiatrowych czy sprzęcie telekomunikacyjnym. Pozwoli też lepiej zrozumieć proces formowania się i topnienia lodu w lodowcach, a to z kolei da nam lepsze zrozumienie ziemskiej kriosfery i wpływu ocieplenia klimatu.
      Z wynikami badań można zapoznać się na łamach Nature Communications.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze z Imperial College London opracowali czujnik, który pozwala monitorować parametry życiowe zwierząt i ludzi, odpowiednio, przez futro i ubranie. Zespół porównuje swój wynalazek do elastycznej głowicy stetoskopu.
      Autorzy artykułu z pisma Advanced Functional Materials wyliczają, że za pomocą ich rozciągliwego kompozytowego przetwornika akustycznego można monitorować np. tętno czy częstość oddechu. Nie przeszkadza przy tym sierść i do 4 warstw ubrania.
      Brytyjczycy uważają, że ich wynalazek przyda się nie tylko właścicielom zwierząt, ale i weterynarzom, którzy by monitorować stan zwierzęcia w czasie operacji, nie będą musieli golić jego futra. Ekipa wspomina też o usprawnieniu pracy psów tropiących, poszukujących bomb i zaginionych osób. W przypadku ludzi można by mierzyć parametry życiowe przez ubranie, bez kontaktu ze skórą.
      Uważa się, że ubieralne rozwiązania odegrają ważną rolę w monitorowaniu zdrowia i wczesnym wykrywaniu chorób. Nasza rozciągliwa, elastyczna propozycja to całkowicie nowy typ czujnika do monitorowania zdrowia zwierząt i ludzi przez sierść lub ubranie - podkreśla dr Firat Guder.
      W przypadku ludzi mamy sporo różnych urządzeń monitorujących, lecz dla psów, kotów i innych zwierząt nie ma obecnie zbyt wielu ubieralnych opcji. Brytyjczycy sugerują, że jednym z powodów jest to, że dzisiejsze rozwiązania nie spełniają swojej funkcji przez futro.
      Rozwiązanie zaprezentowane przez zespół z Imperial College London jest wytwarzane kilkuetapowo. Najpierw do formy wlewa się ciekły, odgazowany silikon. Gdy częściowo zastygnie (trwa to ok. 2 godzin), usuwa się go z formy i wypełnia demineralizowaną wodą. Na wodę ponownie wylewa się ciekły silikon, który całkowicie ją enkapsuluje. Następnie przy brzegu montuje się mikrofon z potrzebną elektroniką i na to nakłada się jeszcze jedną warstwę silikonu. Końcowym etapem jest montaż uprzęży.
      Czujnik [z kompozytowego materiału] działa jak elastyczny stetoskop, który wypełnia przerwy między sobą a podłożem, tak że nie występują bąble powietrza, które mogłyby tłumić dźwięk - wyjaśnia Yasin Cotur.
      Dźwięk jest przetwarzany na sygnał cyfrowy, przekazywany do pobliskiego przenośnego komputera.
      Na początku kompozytowy przetwornik przetestowano na symulowanych dźwiękach serca. Później eksperymenty (fonokardiografię) prowadzono na 5 ludzkich ochotnikach, którzy mieli na sobie do 4 warstw ubrania, i na psie - zdrowym labradorze - przyzwyczajonym do uprzęży. By dokładniej ocenić osiągi czujnika, podczas wykonywania fonokardiografii za jego pomocą elektryczną aktywność serca mierzono także za pomocą konwencjonalnej metody EKG (tutaj elektrody mocuje się do skóry). Oba zapisy dawały silnie skorelowane sygnały.
      Naukowcy podkreślają, że czujniki mogą znaleźć zastosowanie u psów tropiących. Są one trenowane, by namierzać urządzenia wybuchowe czy ludzi. Gdy znajdą np. bombę, powiadamiają opiekuna (siadają i zaczynają szczekać). Ich tętno i częstość oddechu rosną w oczekiwaniu na nagrodę. Brytyjczycy tłumaczą, że zachowanie powiadamiające może być trudne do ilościowego zmierzenia. Jeśli jednak za pomocą nowego czujnika zmierzy się normalne wartości tętna i częstości oddechu danego psa, wiadomo będzie, jak bardzo w danym momencie parametry te od nich odbiegają. Na podstawie pomiaru poziomu ekscytacji psa wbudowany algorytm będzie mógł określić siłę reakcji psa na wykrywany zapach i ustalić, jak bardzo zwierzę jest pewne, że znalazło dobry obiekt.
      Na razie urządzenie testowano tylko na psach i ludziach. Teraz badacze chcą przystosować je do innych zwierząt domowych, a także koni i trzody. Ekipa pracuje też nad zintegrowaniem czujnika ruchu, tak by dało się monitorować ruchy zwierzęcia w czasie rzeczywistym. Algorytm sztucznej inteligencji mógłby wskazywać, czy zwierzę stoi, siedzi czy leży, a także, w którą stronę jest zwrócone. Dane przekazywano by do aplikacji na smartfony. Dzięki temu właściciel wiedziałby, jak zwierzę się czuje i gdzie się w danym momencie znajduje.
       


      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...