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Jun 23, 2023

エネルギー

新しい体温調節繊維は、放出する赤外線の量を調整するために変更できる導電性ポリマーのおかげで、最小限のエネルギー入力で着用者を快適に保ちます。

新しい体温調節繊維は、放出する赤外線の量を調整するために変更できる導電性ポリマーのおかげで、最小限のエネルギー入力で着用者を快適に保ちます。 シカゴ大学、ノースカロライナ州立大学、デューク大学（いずれも米国）のテキスタイル開発者によると、新しい「ウェアラブル可変放射率デバイス」（WeaVE）は、次世代のスマートな熱管理ファブリックの製造に使用できる可能性があるという。 。

多くの動物は、赤外線 (IR) 放射を操作して体を温めたり冷やしたりするのが得意です。 たとえば、サハラギンアリは、太陽の位置に応じて異なる量の近赤外線を反射する体の三角形の毛のおかげで過剰な熱を放散します。 対照的に、人体は主に 10 ミクロンの波長の赤外線を介して熱を吸収したり失ったりしますが、皮膚にはこの波長範囲をリアルタイムで制御して体温を調節する機能がありません。 したがって研究者は、これを実現できる繊維を開発しています。

新しい WeaVE デバイスは 3 つの層で構成されています。1 つはポリアニリン (PANI) と呼ばれる導電性ポリマーで作られた活性層です。 金属化ナイロン; そして半固体電解質。 この層状構造に小さな電圧が印加されると、活物質は透過性の誘電状態と損失のある金属状態との間で切り替わります。 それぞれの状態で放射率が異なるため、切り替えることで生地が発する熱放射量を調整し、放熱（冷却）または遮熱（暖房）することができます。

「繊維は、体温の保持量と放熱量を調整することで、着用者を快適に保つことができます」とノースカロライナ州立大学のジエ・イン氏とともに開発チームを率いたシカゴ大学のポー・チュン・スー氏は説明する。 「このようにして、ユーザーは外部の温度に関係なく同じ皮膚温度を感じるでしょう。」

WeaVE の大きな利点の 1 つは、放射熱輸送を変更するために使用される電気化学的調整に必要なエネルギー入力が少量だけであることです。 このタイプの温度調節は「適応型」と呼ばれ、材料の熱伝達係数の調整に依存していることを意味し、電熱や再循環水を使用して熱エネルギーを生成または汲み上げる「アクティブ」技術よりもはるかに少ないエネルギーしか使用しません。 その結果、熱バランスを維持するために必要なエネルギーは事実上ゼロになります。 さらなる利点は、生地の金属化ナイロンが切り紙風のパターンにカットされているため、電気化学セルの接続と構成を完全に維持しながら、ユーザーの体に合わせて伸縮し、動かすことができることです。

WeaVE の柔軟性と低エネルギー使用は、ユーザーが環境に適応できるようにする持続可能な次世代の繊維や織物に採用できることを意味するとスー氏は言います。 「温熱快適性は非常に個人的で主観的な概念であるため、冷暖房効果が各人の感情や周囲の環境に基づいてすべての人に合わせて調整できれば有益です」と彼は Physics World に語ります。 「また、この研究が、導電性ポリマーの材料科学とスマートウェアラブル個人用体温調節装置のエンジニアリングの両方に関する将来の研究にインスピレーションを与えることができることを願っています。」

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研究者らは現在、導電性ポリマーをベースにした他の電気化学的に調整可能な熱材料の実証に取り組んでいる。 「ポリマー物理学とエレクトロクロミック機構の光と物質の相互作用の基礎研究も私たちの主な焦点です。これは科学的に興味深いだけでなく、より高性能なポリマーの開発に私たちを導くことができます。」とスー氏は言います。

彼らは、PNAS Nexus で現在の研究について詳しく説明しています。