Een vierkant witte stof, blootgesteld aan de zon, slaagde erin om tussen de 3 en 6°C onder de luchttemperatuur te blijven. In hetzelfde materiaal genereert de beweging ook een kleine hoeveelheid elektriciteit, genoeg om een gebaar te detecteren en het inschakelen van een verwarmingssysteem te bevelen. Alles binnen een flexibele structuur die bedrukt kan worden.
Het materiaal is ontwikkeld door een groep aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en beschreven in een studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap. De basis is een nanocomposiet van polydimethylsiloxaan, of PDMS, en zirkoniumoxide (ZrO₂), verwerkt via een printtechniek die direct inkwriting wordt genoemd, een soort 3D-printen waarbij de inkt wordt afgezet en een netwerk van vezels vormt.
Het resultaat heeft twee kenmerken die meestal in verschillende materialen terechtkomen: het reflecteert een groot deel van de energie van de zon en gebruikt contact en beweging om elektrische ladingen op te wekken.
Het reflecteert 96% van de zonnestraling
In tests behaalde de stof een zonnereflectie van 96% en een mid-infrarood emissiviteit van 97%. In de praktijk absorbeert het weinig energie van de zon en slaagt er tegelijkertijd in een deel van de warmte naar buiten te verspreiden in de vorm van infraroodstraling.
Om te verifiëren hoeveel dit zich vertaalde in koeling, voerden de onderzoekers buitentests uit in Urbana, Illinois, onder direct zonlicht. De meer directe cijfers vereisen echter verduidelijking: die 3-6 °C onder kamertemperatuur zijn niet gemeten op de huid van een persoon die een T-shirt draagt.
Bij het kwantitatieve experiment werd gebruik gemaakt van een huidsimulator. Met de warmtebron uitgeschakeld, onder de omstandigheden die normaal worden gehanteerd om passieve stralingskoeling te meten, bleef het materiaal tussen de 3 en 6 ° C onder de omringende lucht. Terwijl de simulator werd verwarmd om de menselijke metabolische hitte na te bootsen, registreerde de stof temperaturen die 6-10°C lager waren dan die van wit katoen, 6-14°C lager dan het blote oppervlak en 10-15°C lager dan een stof met een zilvercoating.
De Universiteit van Illinois Urbana-Champaign toonde ook een grotere versie aangebracht op de achterkant van een overhemd: op het warmtebeeld lijkt het gebied dat door het nieuwe materiaal wordt bedekt aanzienlijk kouder dan de omringende stof. Het is een veelbelovende visuele demonstratie, nog steeds verre van een klinische test op mensen die urenlang in de zon hebben doorgebracht.
Door te bewegen ontstaat er ook elektriciteit
Zirkoniumoxide vervult ook een tweede functie. Wanneer het materiaal in contact komt met de huid en zich er vervolgens van losmaakt, produceert het een lading door het tribo-elektrische effect, hetzelfde fysieke fenomeen achter de kleine schok die kan optreden na het lopen op een tapijt.
Met de geoptimaliseerde samenstelling bereikten de onderzoekers een maximale vermogensdichtheid van 47 milliwatt per vierkante meter. Het signaal bleef stabiel na 30.000 bedrijfscycli. Dit zijn interessante cijfers voor draagbare sensoren, en beslist minder voor het veranderen van je sweatshirt in een stopcontact. Kortom, voor de telefoon heb je nog steeds de oplader nodig.
Het team gebruikte materiaal op de elleboog om de bewegingen van het gewricht te volgen en op de vingers om verschillende configuraties van de hand te onderscheiden. De elektrische signalen die door de beweging worden geproduceerd, kunnen daardoor direct als sensoren functioneren, zonder dat er een aparte continu gevoede sensor nodig is.
Beweging kan de verwarming regelen, maar de energie komt van buitenaf
Het meest merkwaardige deel van het experiment komt wanneer koeling en beweging samenkomen. De onderzoekers printten het nanocomposiet op een geleidend weefsel met een zilvercoating, dat kan verwarmen door het Joule-effect.
Wanneer het systeem beweging detecteert die sterk genoeg is, activeert het tribo-elektrische signaal een circuit dat de verwarming inschakelt. In tests verhoogde het verhogen van de frequentie en duur van de aanrakingen ook de thermische respons: bij een frequentie van één aanraking per seconde werd in 3,8 minuten een stijging van ongeveer 10°C gemeten.
Hier is het detail belangrijk: de elektriciteit die alleen door beweging wordt geproduceerd, levert niet de energie die nodig is om de stof te verwarmen. Het werkt als een commando. In de experimentele opstelling ontvingen een microcontroller en een relais het signaal, terwijl de verwarmingsenergie afkomstig was van een externe voeding.
Het idee is daarom dat van een materiaal dat passief koel blijft onder de zon en de beweging van de drager kan gebruiken om te beslissen wanneer een afzonderlijk aangedreven thermisch systeem moet worden geactiveerd.
Voorlopig heeft het tien wasbeurten overleefd, geen seizoen in de kast
De gedrukte structuur vertoonde een dampdoorlaatbaarheid die dicht bij die van commercieel katoen lag, en de optische eigenschappen bleven in wezen stabiel na tien wascycli bij 30 °C met wasmiddel. Een goed begin, moeilijk te assimileren met de maanden of jaren van wassen, zweten, wrijven en drogen die een echt kledingstuk te wachten staan.
Dezelfde auteurs wijzen op een beter zweetmanagement en langere controles op de veroudering van het materiaal tijdens de volgende stappen. Er is ook een commercieel belang om aan te geven: onderzoekscoördinator Lili Cai is medeoprichter van SolarMantle en uitvinder van patenten met betrekking tot stralingskoelingstechnologieën, een omstandigheid die in het onderzoek wordt gerapporteerd.
Het materiaal combineert echter passieve koeling, energiewinning en bewegingsdetectie in één enkele structuur, waardoor enkele van de tot nu toe gebruikte meerlaagse architecturen worden vermeden. Er ligt nog geen T-shirt klaar om in de rugzak te stoppen. Eerst moet het iets zien te overleven dat veel minder elegant is dan een laboratorium: mensen, zweet en nog veel meer dan tien wasmachines.
