Почему эта новая технология, вдохновленная верблюжьим мехом, очень крутая

Двухслойный материал, имитирующий потовые железы животных и изолирующий мех от холода, на 400 процентов дольше, чем традиционные методы.

Паук Ветцель

Ежедневный корреспондент

Чтобы выжить в пустыне, верблюду нужны и пот, и мех. Так считает инженер Джеффри Гроссман из Массачусетского технологического института. «Если бы у него не было меха, он бы слишком быстро потел и у него кончалась вода, которая является действительно ценным ресурсом для верблюда», — говорит Гроссман. Инженер задавался вопросом, сможет ли он имитировать потовые железы верблюда и изолирующий мех, наложив два слоя двух материалов. В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Joule, Гроссман подробно описывает новую инновационную технологию, которую можно использовать для охлаждения продуктов питания и медикаментов без необходимости дополнительной энергии.

Для нижнего слоя системы, вдохновленной верблюдом, Гроссман использовал гидрогель, высокоабсорбирующую сетку полимеров, насыщенную водой. Когда вода испаряется из гидрогеля, жидкость охлаждает поверхность, на которой она находится. Верхний слой, созданный Гроссманом, состоял из аэрогеля, гидрофобной структуры кремнезема, наполненной крошечными порами, благодаря которым материал на 90 процентов состоит из воздуха, благодаря чему это вещество получило титул «самого легкого твердого вещества в мире». Аэрогель действует как верблюжий мех, изолируя гидрогель от более высоких температур окружающей среды и замедляя испарение воды, обеспечивая устойчивое охлаждение.

Гроссман знал, что слой поверх гидрогеля должен быть одновременно изолирующим и пористым, чтобы вода могла испаряться через него. Если бы изолирующий слой был слишком тонким, говорит Гроссман, это было бы похоже на «порез на верблюде», который не смог бы изолировать гидрогель от окружающего тепла. Если слой аэрогеля будет слишком толстым или недостаточно пористым, вода гидрогеля не сможет испариться, и технология потеряет свою охлаждающую способность. «Правильная разработка аэрогеля позволит предотвратить слишком быстрое, но не полное испарение воды», — говорит Гроссман. Замедляя испарение, «вы получаете больше пользы из каждой капли воды».

Чтобы измерить эффективность двухслойного подхода, Гроссман и его команда поместили датчик тепла под слои и поместили систему в камеру с контролируемой влажностью и температурой. Датчик контролировал температуру под гидрогелем по мере того, как жидкость испарялась в камеру с температурой 86 градусов по Фаренгейту. Команда сравнила свое творение, вдохновленное верблюдом, с одним слоем непокрытого гидрогеля. Двухслойная система снизила температуру до уровня, близкого к температуре одного гидрогеля, но двойной слой сохранял эту охлаждающую способность гораздо дольше. Гроссман обнаружил, что слоистые материалы увеличивают время охлаждения на 400 процентов.

«Я не думал, что мы сможем приблизиться к одинаковой мощности охлаждения и зайти так далеко», — говорит Гроссман, описывая увеличенный период охлаждения. «Это то, что вы получаете в ходе исследований, и вы действительно счастливы, потому что это так хорошо работает». Ученые и раньше использовали гидрогель для охлаждения поверхностей, говорит Гроссман, «но чего не было сделано, так это добавления поверх него другого материала, имеющего весьма специфическое применение».

«Хотя гидрогель и аэрогель не являются чем-то новым, объединение их таким образом является проблемой», — говорит Кю-Чул Кеннет Парк, инженер Северо-Западного университета, который не участвовал в этой работе. «Я сам не думал о таком сочетании двух материалов, поэтому я очень рад увидеть эту статью». Как и Гроссман, Пак ищет растения и животных, которые вдохновят его исследования. Поскольку это изделие полупрозрачное, Парк надеется, что его можно будет использовать для изоляции таких поверхностей, как окна.

Гроссман считает, что эту технологию можно применить во многих областях, где требуется пассивное охлаждение, то есть для обеспечения процесса не требуется никакой внешней энергии. Возможные области применения включают изоляцию складов продуктов питания, предметов медицинского назначения и зданий.

Мэри Энн Мидор, профессор инженерного дела в Университете Акрона и бывший ученый НАСА, не принимавшая участия в этой работе, говорит, что одним из препятствий на пути внедрения такого рода технологии является необходимость сохранять гидрогель влажным. Поскольку гидрогель получает свою энергию от воды, как только эта вода испаряется, материал больше не охлаждает поверхность, на которой находится. Хотя верблюды могут просто потеть, чтобы пополнить запасы влаги в коже, для того, чтобы гель был полезным, его необходимо регулярно подпитывать водой — проблема, над решением которой работают Гроссман и его команда. Если бы этот тип двухслойной системы можно было восстановить, например, с помощью дождевой воды или конденсата, ее охлаждающая способность могла бы быть бесконечной.