p Engenheiros mecânicos e cientistas de materiais da Universidade da Virgínia, em colaboração com cientistas de materiais da Penn State, a Universidade de Maryland e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, inventaram um "efeito de comutação" para condutividade térmica e propriedades mecânicas que podem ser incorporadas na fabricação de materiais, incluindo têxteis e roupas. p Usando princípios de transporte de calor combinados com um biopolímero inspirado nos dentes do anel de lula, a equipe estudou um material que pode regular dinamicamente suas propriedades térmicas - alternando entre isolamento e resfriamento - com base na quantidade de água presente.

p A invenção é uma grande promessa para todos os tipos de novos dispositivos e materiais com a capacidade de regular a temperatura e o fluxo de calor sob demanda, incluindo os tecidos "inteligentes".

p "O efeito de comutação da condutividade térmica seria ideal para muitas aplicações, incluindo atletismo, "disse John Tomko, um Ph.D. candidato no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UVA e autor principal de um artigo sobre a invenção publicado esta semana em Nature Nanotechnology . "Este material tem potencial para revolucionar o desgaste ativo, desencadeando a possibilidade de roupas que podem responder dinamicamente ao calor do corpo e regular a temperatura. Por exemplo, o biopolímero tem uma baixa condutividade térmica enquanto seco, essencialmente armazenando o calor do corpo e mantendo o atleta (e seus músculos!) aquecidos enquanto não está ativo. Assim que o usuário começa a suar, o material pode se tornar hidratado e instantaneamente aumentar sua condutividade térmica, permitindo que o calor do corpo escape através do material e resfrie o atleta. Quando a pessoa termina o treinamento e o suor evapora, o material pode voltar a um estado isolante e manter o usuário aquecido novamente.

p "E embora possa parecer altamente especializado e apenas para atletas profissionais, seria igualmente útil do ponto de vista de uma empresa de vestuário, "disse Tomko, cuja pesquisa está sendo conduzida como parte do Grupo ExSite liderado pelo Professor Patrick Hopkins dos departamentos de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da UVA, Ciência e Engenharia de Materiais e Física.

p As roupas feitas com essa tecnologia estariam um passo acima do que está disponível no mercado hoje devido à gama extremamente ampla de capacidades técnicas dos materiais. Por exemplo, O velo polar geralmente requer pesos diferentes para acomodar diferentes combinações de temperaturas e níveis de atividade. O novo material pode acomodar toda a gama de cenários atléticos dentro de uma peça de roupa. Fleece é considerado respirável, um estado passivo, mas o material de biopolímero conduziria ativamente o calor para fora da roupa.

p "Embora a realização de tecidos termicamente e mecanicamente inteligentes seja um grande avanço desse trabalho, a capacidade de fornecer uma modificação tão grande e reversível na condutividade térmica de um material "sob demanda" tem aplicações potenciais para mudar o jogo, "disse Hopkins, Ph.D. de Tomko conselheiro e co-líder neste esforço de pesquisa com o professor Melik Demirel na Penn State. "A condutividade térmica dos materiais é normalmente considerada estática, propriedade intrínseca de um material. O que mostramos é que você pode "alternar" a condutividade térmica de um material de maneira semelhante à de ligar e desligar uma lâmpada por meio de um interruptor na parede, apenas em vez de usar eletricidade, podemos usar água para criar esse switch. Isso permitirá formas dinâmicas e controláveis ​​de regular a temperatura e / ou fluxo de calor de materiais e dispositivos.

p "A magnitude desta relação de condutividade térmica liga / desliga é grande o suficiente, onde agora podemos imaginar aplicações, incluindo não apenas tecidos inteligentes, mas também uma reciclagem mais eficiente do calor desperdiçado para criar eletricidade, fazer dispositivos elétricos auto-reguláveis ​​termicamente, ou a criação de novos caminhos para a produção de energia eólica e hidrelétrica. "

p O processo de criação de materiais "programáveis" pode ser uma boa notícia para os fabricantes e para o meio ambiente. Normalmente, as empresas têxteis dependem de diferentes tipos de fibras e diferentes processos de fabricação para criar roupas com atributos variados, mas o aspecto ajustável desses materiais significa que os atributos de isolamento e resfriamento podem ser criados a partir do mesmo processo. Isso poderia levar a menores custos de fabricação e redução das emissões de carbono.

p Dentes de anel de lula, que tornam os materiais programáveis ​​possíveis, são uma nova e inspiradora avenida de pesquisa científica descoberta pela primeira vez na Penn State. Esses biomateriais contêm propriedades únicas, como resistência, autocura e biocompatibilidade, tornando-os excepcionalmente adequados para programação em nível molecular, neste caso, para regulação térmica. Esta é mais uma boa notícia para o meio ambiente, uma vez que podem ser extraídos das ventosas de lulas ou podem ser produzidos sinteticamente via fermentação industrial, ambos recursos sustentáveis.

p Os colaboradores de Tomko e Hopkins na pesquisa são Abdon Pena-Francesch, ex-Ph.D. estudante na Penn State e agora von Humboldt Fellow no Instituto Max Planck em Stuttgart, Alemanha; Huihun Jung, candidato a doutorado em ciência da engenharia e mecânica na Penn State; Madhusudan Tyagi, pesquisador da Universidade de Maryland e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia; Benjamin D. Allen, professor assistente de pesquisa de bioquímica e biologia molecular na Penn State; e Demirel, professor de ciências da engenharia e mecânica e diretor, Centro de Pesquisa em Tecnologias Avançadas de Fibras na Penn State.

p "A beleza e o poder único do espalhamento de nêutrons nos ajudou a resolver o quebra-cabeça de como as unidades de repetição em tandem realmente influenciam a condutividade térmica observada em amostras hidratadas, já que a água pesada simplesmente se torna 'invisível' para os nêutrons! Descobrimos que a dinâmica aumentada e "alterada" das fitas amorfas eram, na realidade, responsável por este aumento da condutividade térmica em amostras hidratadas, "disse Tyagi da Universidade de Maryland." Eu acredito que esta pesquisa vai mudar a forma como estudamos as propriedades térmicas da matéria mole, particularmente proteínas e polímeros, usando nêutrons como matéria condensada normalmente dura é onde a maior parte do trabalho é feito a esse respeito. "

p Tomko e outros pesquisadores da UVA Engineering, junto com alunos de pós-graduação da Darden School of Business da UVA, 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.