Struktura sierści niedźwiedzia ma chronić przed utratą ciepła, a włosów kaktusa – osłaniać przed ekstremalnymi warunkami na pustyni. Prof. Urszula Stachewicz z AGH wraz z zespołem odtworzyła nanostrukturę tych obiektów w materiałach polimerowych. Takie materiały mogą posłużyć jako termoizolacja np. w budownictwie, odzieży czy w wojskowym kamuflażu termicznym.
– Stosujemy biomimetyzm, czyli „podglądamy” rozwiązania wypracowane przez zwierzęta czy rośliny i odtwarzamy je, by rozwiązywać nasze wyzwania – powiedziała prof. Urszula Stachewicz z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH w Krakowie. To laureatka prestiżowego Starting Grant ERC (European Research Council – Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych).
Sierść niedźwiedzia polarnego
Naukowcy z jej zespołu scharakteryzowali np. strukturę mikroskopową włosów niedźwiedzia polarnego. Są one puste w środku, a kanał powietrza w ich wnętrzu zapewnia dodatkową ochronę przed zimnem. Badacze stworzyli włókna o podobnej budowie: posiadają podwójną otoczkę i pusty rdzeń. Do ich produkcji wykorzystano polistyren i poliuretan – polimery znane w budownictwie.
Nowością jest autorska technologia wytwarzania: igła z dwiema współosiowymi dyszami pozwala tworzyć puste struktury z dwóch różnych polimerów jednocześnie – w procesie elektroprzędzenia.
Średnica takich włókien jest tysiąc razy cieńsza od ludzkiego włosa. Materiał nie przypomina więc w wyglądzie ani dotyku futra, ale naśladuje jego właściwości fizyczne. – Nasze maty są bardzo lekkie i elastyczne. Można je zmiąć jak chusteczkę higieniczną i dopasować do dowolnego kształtu. Materiał zawiera aż 90 proc. powietrza, co przy tak wysokiej porowatości czyni go doskonałym izolatorem – opisała prof. Stachewicz.
Funkcjonalność rozwiązania sprawdzano m.in. w ramach okiennych. Kamera termowizyjna potwierdziła, że wypełnienie pustych przestrzeni ramy matami z nanowłókien znacząco redukuje straty energii. Zimą zatrzymuje ono ciepło wewnątrz, a latem chroni przed upałem. Wyniki tych prac opublikowano w czasopiśmie „Advanced Science”.
Kolejnym istotnym elementem badań jest mechanizm magazynowania energii. – Natura uczy nas czegoś jeszcze: niedźwiedzie polarne mają czarną skórę, która pochłania energię słoneczną, a warstwa tłuszczu działa jak magazyn ciepła. Chcemy uzyskać podobny efekt w materiałach typu PCM (phase change materials) z dodatkiem glikolu czy węgla warstwowego, które absorbują i uwalniają energię w zależności od temperatury – zapowiedziała badaczka.
Włosy kaktusa
Inspiracją dla zespołu stał się także kaktus Cephalocereus senilis (Old Man Cactus). Jego „siwe” włosy mają pod mikroskopem specyficzne rowki. Stworzone na ich bazie włókna z poliwęglanu skutecznie zatrzymują powietrze, utrudniając wymianę ciepła. Naukowcy wykazali przydatność tego materiału na przykładzie otuliny do rur z ciepłą wodą – może być ona znacznie cieńsza niż standardowa guma, zachowując te same parametry.
Zdaniem prof. Stachewicz elektroprzędze można wykorzystać w bardzo wielu dziedzinach. Badacze z AGH tworzą tzw. przędze (ang. yarns), które wyglądają jak cienkie sznurki, ale składają się z nanowłókien. Można je wplatać w tekstylia.
– To krok w stronę inteligentnych tekstyliów. Wyobraźmy sobie bluzę, która dostosowuje się do temperatury ciała, monitoruje poziom cukru z potu, a dzięki energii z ruchu użytkownika ładuje telefon. To nie jest już czyste science fiction – przekonywała prof. Stachewicz.
Dodała, że takie przędze mogą służyć także do produkcji kamuflażu termicznego, czyniąc użytkownika mniej widocznym dla dronów i kamer termowizyjnych.
– Jako naukowcy prowadzimy badania podstawowe, ale one niemal natychmiast przekładają się na aplikacje. Potrzebujemy jednak przemysłu, który wdroży te pomysły do masowej produkcji – podkreśliła badaczka.
Dodała, że w swoich badaniach łączy chemię, fizykę i biologię, by poprawiać komfort życia. – Fascynuje mnie to, że nie musimy wymyślać nowych związków chemicznych, aby tworzyć nowe materiały. Aby uzyskać nowe właściwości, często wystarczy „grać” geometrią i architekturą materiału, tak jak robi to natura – podsumowała prof. Stachewicz.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Pixabay/ CC0
