In de video die materiaalwetenschapper en scheikundig ingenieur Alon Gorodetsky op weg zet naar zijn nieuwste uitvinding, verschijnt een octopus uit de algen als een springangst in een horrorfilm. Het wezen schakelt zo snel uit zijn camouflagekleuring dat het uit het zeewater lijkt te materialiseren. Die "opmerkelijke" video, zegt de universitair hoofddocent aan de Universiteit van Californië, Irvine, "heeft echt het traject van mijn carrière veranderd, omdat ik begon te werken aan materialen die zijn geïnspireerd door koppotigen." Recentelijk liet Gorodetsky zich inspireren door een inktvis - specifiek de kleur -veranderende huid - om een nieuw materiaal te maken dat een instelbare hoeveelheid warmte kan vasthouden of uitlaten. 'Thermocomfort-materiaal', zoals zijn team beschrijft in het tijdschrift Nature Communications, heeft een scala aan mogelijke toepassingen, van warmtewerende kleding tot energiebesparende coatings voor daken.
Inktvissen hebben organen die chromatoforen worden genoemd en die zich snel kunnen uitbreiden en samentrekken, van pinpoints naar kleurvlekken die 14 keer breder zijn in minder dan een seconde. De veranderende afmetingen van hun vlekken betekenen dat verschillende golflengten van licht kunnen worden gereflecteerd vanaf een bepaald punt op de huid van het dier, afhankelijk van of de spieren van de pijlinktvis de chromatoforen hebben gekrompen of vergroot. In plaats van naar zichtbare lichtgolven te kijken, waren Gorodetsky en zijn team geïnteresseerd in het reflecteren van infrarood licht, dat we als warmte voelen. De onderzoekers hebben een materiaal gemaakt dat bestaat uit een dunne laag koper - die zeer effectief infraroodwarmte reflecteert - bovenop een rekbare, aanzienlijk minder reflecterende laag rubber. De koperlaag is bedekt met haarscheurtjes, dus wanneer het thermocomfort-materiaal wordt aangetrokken, trekken de reflecterende koperen stukken uit elkaar, waardoor warmte door het polymeer (rubber) ertussen kan ontsnappen.
Gorodetsky heeft een handige analogie om de uitvinding van zijn lab uit te leggen: “Stel je voor dat je een bevroren meer of een bevroren oceaan hebt, en het is bedekt met ijsschotsen, al die stukjes ijs die allemaal naast elkaar liggen. Zo ziet het materiaal er in feite uit in zijn inactieve en niet-uitgerekte toestand. Wanneer je het uitrekt, spreid je alle ijsschotsen uit elkaar, dus in ons geval kun je het polymeer eronder zien. 'Wanneer warmte het polymeer tussen de koperen' ijsschotsen 'raakt, wordt het door het materiaal overgedragen in plaats van te worden gereflecteerd terug naar zijn bron. Vanwege de koperlaag is het materiaal - een 'extreem licht, rekbaar rubber', in de woorden van Gorodetsky - glanzend, hoewel de kleur lichter wordt tijdens het strekken.
Op zijn warmst houdt het thermocomfortmateriaal warmte vast (of reflecteert terug naar het lichaam), bijna net zo effectief als een ruimtedeken, dat gekreukte aluminiumfolie-achtige materiaal dat is gebruikt om de schittering van de zon in de ruimte te reflecteren en de lichaamswarmte van marathonlopers na races te behouden . Een mouw gemaakt van thermocomfort-materiaal verhoogde de temperatuur van de onderarm van de drager met bijna een graad Celsius, dicht bij het verwarmingsvermogen van een ruimtedeken. Maar het thermoregulerende materiaal is ook indrukwekkend veelzijdig. Bij verschillende rekgraden kan het dragers comfortabel maken over een overspanning van 8, 2 graden Celsius (ruwweg 15 graden Fahrenheit). Wanneer het 30 procent is uitgestrekt, lijkt het op het isolerend vermogen van een Columbia Omni-Heat-fleece; bij een rekfactor van 50 procent houdt het materiaal warmte vast als wol. Toen onderzoekers thermocomfort-materiaal strekten om de oorspronkelijke lengte te verdubbelen, ging er warmte doorheen alsof het katoen was. En zelfs nadat onderzoekers het materiaal 1000 keer hadden uitgebreid en gecontracteerd, verslijt het herhaaldelijk gebruik niet.
Omdat het thermocomfort-materiaal werd getest met het koper als de binnenlaag die de huid van de drager raakt, hield dit de gebruiker warm in zijn compacte staat in door zijn lichaamswarmte binnen te houden. Maar als je het materiaal omdraaide, zegt Gorodetsky, zou het houd warmte buiten, als een glanzende zonnescherm op een autoruit.
In het artikel van Nature Communications stellen de ingenieurs een verscheidenheid aan toepassingen vast, waaronder de mogelijkheid dat thermocomfort-materiaal een rol zou kunnen spelen bij het verminderen van de hoeveelheid energie die bestemd is om ruimtes gematigd te houden, wat een derde van het energieverbruik van commerciële en residentiële is gebouwen wereldwijd. De productie van het materiaal moet, zegt Gorodetsky, even goedkoop zijn als massaproducerende ruimtedekens, die bij REI minder dan $ 4 kosten, en strekken kost minimale energie in vergelijking met de energiekosten van een warmtepomp of airconditioningsysteem. Hij stelt zich het koperachtige materiaal voor dat daken en ramen bedekt, of gelaagd op tenten of andere buitenapparatuur om de warmtestroom te regelen. Het zou kunnen worden gebruikt, speculeert hij, om de warmte van elektronica te helpen afvoeren (denk bijvoorbeeld aan hoe snel een laptop onaangenaam warm kan worden). Gorodetsky noemt ook kleinere, alledaagse toepassingen, zoals Tupperware-achtige containers om bederfelijk voedsel koud te houden.
Gorodetsky zegt dat zijn laboratorium het meest enthousiast is over de impact die het materiaal op kleding kan hebben. "Als je een jas had die iedereen kon dragen, en elke persoon kon aanpassen om zichzelf comfortabel te houden over een breder temperatuurbereik, dan hoef je alleen maar veel minder energie in te steken om het gebouw op één temperatuur te houden, " legt hij uit.
Het team heeft een patent aangevraagd, maar het is de volgende stap om uit te vinden hoe thermocomfort-materiaal in massa kan worden geproduceerd voordat het commerciële toepassingen kan vinden. "Het vertalen van deze specifieke [innovatie in materiaalkunde] naar kleding kost behoorlijk wat meer engineering", zegt Lucy Dunne, co-directeur van het Wearable Technology Lab van de Universiteit van Minnesota, die niet betrokken was bij het onderzoek. "Het grootste vraagteken voor mij, " zegt Dunne, is: "Hoe krijg je het uitrekken?" Dunne dreef verschillende opties, van low-tech riemen die de strakheid van een kledingstuk aanpassen tot het meer futuristisch klinkende idee van integratie het met materialen die zijn getraind om van vorm te veranderen op basis van thermische triggers. Een andere technische uitdaging, zegt Dunne, is ervoor zorgen dat thermocomfortdoek ademend genoeg is om te voldoen aan de verwachtingen van de consument ten aanzien van comfort.
Dunne ziet het materiaal als potentieel nuttig in militaire camouflageapparatuur, waardoor soldaten worden verborgen voor infraroodsensoren. De belangstelling voor thermoregulerende draagbare technologie lijkt toe te nemen, zegt ze. Huidige benaderingen omvatten apparaten, zoals de Embr Wave, die dient als een "persoonlijke thermostaat" polsband die een elektrische stroom door keramische of metalen platen laat lopen, of haar eigen onderzoek met geleidende draad in elektrisch aangedreven vingerloze manchetten die warmte verspreiden over de hand van de drager . Infrarood-reflecterende materialen zoals ruimtedekens of Columbia's Omni-Heat bestaan, maar de ingebouwde isolerende aanpasbaarheid van het thermocomfortmateriaal van Gorodetsky onderscheidt het.
Denk de volgende keer dat je koud bent en je "kantoortrui" vastpakt: denk eens dat je op een dag een koperen jas draagt, en het enige dat je hoeft te doen om comfortabel te zijn, is een aanraking van een knop of een ruk aan de mouw .
