Het kost veel energie om de temperatuur naar een comfortabel niveau te brengen. Daarom wordt er momenteel veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van passieve, persoonlijke thermische managementtechnologieën die de lichaamstemperatuur kunnen verlagen zonder energieverbruik. Hoewel eerdere onderzoekers al verschillende ontwerpmethoden voor het koelen van textiel hebben voorgesteld, is textielgebaseerde koeling met straling overdag onder de omgevingstemperatuur nog niet bereikt. Een nieuwe studie toont aan dat de optische eigenschappen van zijde te danken zijn aan de gelaagde microstructuur, wat een veelbelovende richting biedt voor onderzoekers om koeling met straling overdag te onderzoeken.

Onlangs onderzocht een onderzoeksteam van de Universiteit van Nanjing en Stanford University de nanobewerking van zijde door middel van moleculair bindingsontwerp en een onderdompelingscoatingmethode met behulp van een uitbreidbaar koppelingsmiddel. Het team bewees dat nanobewerking van zijde kan zorgen voor koeling door straling overdag onder de omgevingstemperatuur. Gerelateerd onderzoek werd gepubliceerd in Nature Nanotechnology met de titel "Subambient Daytime Radiative Cooling Textile Based on Nanoprocessed Silk".

Ontwerp van nanozijde

De onderzoekers behandelden de zijde met een rekbare, met een koppelingsmiddel ondersteunde dipcoating, waardoor de zijde zijn oorspronkelijke draagbaarheid behield. Om de reflectie in de ultraviolette band te verbeteren, werden bovendien anorganische oxide nanodeeltjes met een hoge brekingsindex aan zijde gebonden door middel van een moleculaire bindingsstrategie met koppelingsmiddel. Tegelijkertijd werd ook de reflectie van de visibon-nabij-infraroodband verbeterd, en de totale reflectie van zijde in het gehele zonnespectrum kan oplopen tot ongeveer 95%.

Ontwerp van dagstralingskoeling voor nanozijde

Voorbereiding en karakterisering

De Mie-verstrooiingstheorie werd gebruikt om de verstrooiingsefficiëntie van Al2O3-deeltjes in het UV-spectrum te berekenen als functie van de deeltjesgrootte. Al2O3-nanodeeltjes met een grootte van ongeveer 300 nm werden bepaald voor gebruik in vervolgexperimenten. Tetrabutyltitanaat werd geselecteerd als koppelingsmiddel en Al2O3-deeltjes werden aan zijde gebonden. Er werd vastgesteld dat tetrabutyltitanaat een waterstofbrug kan vormen met de hydroxylgroep op het Al2O3-oppervlak en de agglomeratie van Al2O3-deeltjes kan verminderen. Bovendien kan tetrabutyltitanaat sterke covalente bindingen vormen met aminozuren in zijde. Daarom wordt door deze strategie voor het ontwerp van moleculaire bindingen een sterke hechting tussen Al2O3-deeltjes en zijde bereikt.

Voorbereiding en karakterisering van nanozijde

De prestatietest

De onderzoekers testten natuurlijke zijde en nanozijde gedurende 22 uur onder continue stralingskoeling. Uit het onderzoek bleek dat de temperatuur van natuurlijke zijde door warmteafgifte 's nachts lager is dan de omgevingstemperatuur, maar overdag (9:00-17:00 uur) is de temperatuur meestal hoger dan de omgevingstemperatuur. De temperatuur van nanozijde daarentegen was zowel overdag als 's nachts constant lager dan de omgevingstemperatuur, en de gemiddelde temperatuur van nanozijde was nog steeds ongeveer 3.5 °C lager dan de omgevingstemperatuur om 15:00 uur, toen de zonnestraling 800 W·m-2 overschreed.

Test van de stralingskoelingsprestaties van natuurlijke zijde en nanozijde

De onderzoekers testten ook de verkoelende eigenschappen van zijde die de gesimuleerde huid bedekte in zonlicht. De gesimuleerde huid bestaat uit een flexibele verwarmer met siliconenrubberisolatie. De resultaten toonden aan dat wanneer de gesimuleerde huid bedekt was met nanozijde, de huidtemperatuur ongeveer 8 ℃ en 12.5 ℃ lager was dan die van de gesimuleerde huid bedekt met respectievelijk natuurlijke zijde of katoen. Bovenstaande resultaten tonen aan dat nanozijde uitstekende verkoelende eigenschappen heeft dankzij de combinatie van de verbeterde reflectie van zonlicht en de inherente thermische stralingseigenschappen, die de warmte-input minimaliseren. Deze eigenschappen worden niet beïnvloed door de nanobehandeling.

De onderzoekers testten ook hoe comfortabel de zijde was om te dragen. De resultaten toonden aan dat de waterdampdoorlaatbaarheid van nanozijde vergelijkbaar was met die van natuurlijke zijde en Tyvek, maar iets hoger dan die van katoen. Onder de Al2O3-nanodeeltjes bedraagt ​​de zuigkracht van de kern van zijde nog steeds 10 mm, vergelijkbaar met die van natuurlijke zijde. De wasbaarheid van de zijden stof werd getest door te wassen en in de zon te drogen.

Thermische en draagbaarheidstest van nanozijde