Ingénieurs en mécanique et scientifiques des matériaux de l'Université de Virginie, en collaboration avec des scientifiques des matériaux de Penn State, l'Université du Maryland et le National Institute of Standards and Technology, ont inventé un "effet de commutation" pour la conductivité thermique et les propriétés mécaniques qui peuvent être incorporés dans la fabrication de matériaux, y compris les textiles et les vêtements.

Utilisant des principes de transport de chaleur combinés à un biopolymère inspiré des anneaux dentés de calmar, l'équipe a étudié un matériau capable de réguler dynamiquement ses propriétés thermiques, en alternant entre isolation et refroidissement, en fonction de la quantité d'eau présente.

L'invention est très prometteuse pour toutes sortes de nouveaux appareils et matériaux avec la capacité de réguler la température et le flux de chaleur à la demande, y compris les tissus "intelligents".

"L'effet de commutation de la conductivité thermique serait idéal pour de nombreuses applications, y compris l'athlétisme, " dit John Tomko, un doctorat candidat au département de science et ingénierie des matériaux de l'UVA et auteur principal d'un article sur l'invention publié cette semaine dans Nature Nanotechnologie . "Ce matériau a le potentiel de révolutionner les vêtements de sport, libérant la possibilité de vêtements qui peuvent répondre dynamiquement à la chaleur du corps et réguler la température. Par exemple, le biopolymère a une faible conductivité thermique à l'état sec, essentiellement stocker la chaleur corporelle et garder l'athlète (et ses muscles !) au chaud lorsqu'il n'est pas actif. Dès que le porteur commence à transpirer, le matériau pourrait s'hydrater et augmenter instantanément sa conductivité thermique, permettant à cette chaleur corporelle de s'échapper à travers le matériau et de refroidir l'athlète. Lorsque la personne a terminé son entraînement et que la sueur s'est évaporée, le matériau pourrait revenir à un état isolant et garder le porteur au chaud.

"Et bien que cela puisse sembler hautement spécialisé et réservé aux athlètes professionnels, ce serait tout aussi utile du point de vue d'une entreprise de vêtements, " dit Tomko, dont les recherches sont menées dans le cadre du groupe ExSite dirigé par le professeur Patrick Hopkins des départements de génie mécanique et aérospatial de l'UVA, Science et Génie des Matériaux et Physique.

Les vêtements fabriqués à l'aide de cette technologie seraient un cran au-dessus de ce qui est disponible sur le marché aujourd'hui en raison de la gamme extrêmement large de capacités techniques des matériaux. Par exemple, la toison polaire nécessite généralement des poids différents pour s'adapter à différentes combinaisons de températures et de niveaux d'activité. Le nouveau matériau pourrait s'adapter à toute la gamme de scénarios sportifs dans un seul vêtement. La polaire est considérée comme respirante, un état passif, mais le matériau biopolymère conduirait activement la chaleur hors du vêtement.

« Si la réalisation de tissus thermiquement et mécaniquement intelligents est une avancée majeure de ce travail, la capacité de fournir une modification aussi importante et réversible de la conductivité thermique d'un matériau "à la demande" a des applications potentielles qui changent la donne, " dit Hopkins, Le doctorat de Tomko conseiller et co-responsable de cet effort de recherche avec le professeur Melik Demirel à Penn State. « La conductivité thermique des matériaux est généralement supposée être statique, propriété intrinsèque d'un matériau. Ce que nous avons montré, c'est que vous pouvez « changer » la conductivité thermique d'un matériau de la même manière que vous allumez et éteignez une ampoule via un interrupteur sur le mur, seulement au lieu d'utiliser l'électricité, nous pouvons utiliser de l'eau pour créer ce commutateur. Cela permettra des moyens dynamiques et contrôlables de réguler la température et/ou le flux de chaleur des matériaux et des appareils.

"L'ampleur de ce rapport de conductivité thermique marche/arrêt est suffisamment grande pour que nous puissions désormais envisager des applications comprenant non seulement des tissus intelligents, mais aussi un recyclage plus efficace de la chaleur perdue pour créer de l'électricité, fabrication d'appareils électriques à autorégulation thermique, ou en créant de nouvelles voies pour la production d'énergie éolienne et hydroélectrique."

Le processus de création de matériaux "programmables" pourrait être une bonne nouvelle pour les fabricants et l'environnement. Habituellement, les entreprises textiles doivent s'appuyer sur différents types de fibres et différents procédés de fabrication pour créer des vêtements aux attributs variés, mais l'aspect ajustable de ces matériaux signifie que les attributs d'isolation et de refroidissement peuvent être créés à partir du même processus. Cela pourrait entraîner une baisse des coûts de fabrication et des émissions de carbone réduites.

Dents d'anneau de calmar, qui rendent possibles des matériaux programmables, sont une nouvelle voie inspirante de recherche scientifique découverte pour la première fois à Penn State. Ces biomatériaux contiennent des propriétés uniques telles que la résistance, auto-guérison et biocompatibilité, ce qui les rend exceptionnellement adaptés à la programmation au niveau moléculaire, dans ce cas pour la régulation thermique. C'est encore une bonne nouvelle pour l'environnement, puisqu'ils peuvent être extraits des ventouses des calmars ou peuvent être produits synthétiquement par fermentation industrielle, deux ressources durables.

Les collaborateurs de Tomko et Hopkins sur la recherche sont Abdon Pena-Francesch, ancien doctorat étudiant à Penn State et maintenant von Humboldt Fellow à l'Institut Max Planck de Stuttgart, Allemagne; Huihun Jung, un doctorant en sciences de l'ingénieur et mécanique à Penn State; Madhusudan Tyagi, chercheur à l'Université du Maryland et au National Institute of Standards and Technology; Benjamin D. Allen, professeur adjoint de recherche en biochimie et biologie moléculaire à Penn State; et Demirel, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et directeur, Centre de recherche sur les technologies avancées de fibre à Penn State.

"La beauté et la puissance unique de la diffusion des neutrons nous ont aidés à résoudre le casse-tête de la façon dont les unités répétées en tandem influencent réellement la conductivité thermique observée dans les échantillons hydratés, comme l'eau lourde devient tout simplement « invisible » aux neutrons ! Nous avons constaté que la dynamique accrue et « modifiée » des brins amorphes était, réellement, responsable de cette augmentation de la conductivité thermique dans les échantillons hydratés, " a déclaré Tyagi de l'Université du Maryland. "Je pense que cette recherche va changer la façon dont nous étudions les propriétés thermiques de la matière molle, en particulier les protéines et les polymères, l'utilisation de neutrons comme matière condensée généralement dure est l'endroit où la plupart du travail est effectué à cet égard. »

Tomko et ses collègues chercheurs UVA Engineering, 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.