Nanotechnologie-„Film“ könnte zu intelligenten Stoffen der nächsten Generation führen, berichten NCSU-Forscher

Veröffentlichungsdatum: 6. Juli 2020

RALEIGH – Ein Film aus winzigen Kohlenstoffnanoröhren (CNT) könnte ein Schlüsselmaterial für die Entwicklung von Kleidung sein, die den Träger je nach Bedarf wärmen oder kühlen kann. Eine neue Studie der North Carolina State University Studie stellt fest, dass der CNT-Film über eine Kombination aus thermischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften verfügt, die ihn zu einem attraktiven Kandidaten für intelligente Stoffe der nächsten Generation machen.

Den Forschern gelang es zudem, die thermischen und elektrischen Eigenschaften des Materials zu optimieren, so dass das Material seine gewünschten Eigenschaften auch dann behält, wenn es mehrere Wochen lang der Luft ausgesetzt ist. Darüber hinaus wurden diese Eigenschaften durch relativ einfache Verfahren erreicht, die keine allzu hohen Temperaturen erforderten.

„Viele Forscher versuchen, ein Material zu entwickeln, das ungiftig und kostengünstig ist, aber gleichzeitig effizient heizt und kühlt“, sagte Tushar Ghosh, Co-Autor der Studie. „Kohlenstoffnanoröhren sind bei sachgemäßer Verwendung sicher und wir verwenden eine Form, die relativ günstig ist. Es handelt sich also möglicherweise um ein günstigeres thermoelektrisches Material, das direkt auf der Haut verwendet werden könnte.“ Ghosh ist der William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles am Wilson College of Textiles der North Carolina State University.

„Wir wollen dieses Material in den Stoff selbst integrieren“, sagte Kony Chatterjee, Erstautor der Studie und Doktorand an der NC State. „Derzeit konzentriert sich die Forschung an temperaturregulierender Kleidung stark auf die Integration starrer Materialien in Stoffe, und die handelsüblichen tragbaren thermoelektrischen Geräte auf dem Markt sind ebenfalls nicht flexibel.“

Um den Träger zu kühlen, so Chatterjee, verfügen CNTs über Eigenschaften, die es ermöglichen, Wärme vom Körper abzuleiten, wenn eine externe Stromquelle angelegt wird.

„Stellen Sie es sich wie einen Film vor, mit kühlenden Eigenschaften auf der einen Seite und wärmenden auf der anderen“, sagte Ghosh.

Die Forscher maßen die Fähigkeit des Materials, Elektrizität zu leiten, sowie seine Wärmeleitfähigkeit, also wie leicht Wärme durch das Material hindurchdringt.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass das Material eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist – das heißt, die Wärme würde nicht so leicht zum Träger zurückkehren, nachdem sie den Körper verlassen hat, um ihn abzukühlen. Das bedeutet auch, dass, wenn das Material zum Wärmen des Trägers verwendet würde, die Wärme mit einem Strom zum Körper wandern und nicht wieder in die Atmosphäre abgegeben würde.

Die Forscher konnten die Wärmeleitfähigkeit des Materials durch eine Zusammenarbeit mit dem Labor von genau messen Jun Liu, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. Die Forscher verwendeten ein spezielles Versuchsdesign, um die Wärmeleitfähigkeit des Materials in der Richtung, in der der elektrische Strom innerhalb des Materials fließt, genauer zu messen.

„Man muss jede Eigenschaft in derselben Richtung messen, um eine vernünftige Schätzung der Materialeigenschaften zu erhalten“, sagte Liu, Co-Autor der Studie. „Das war keine leichte Aufgabe, es war sehr anspruchsvoll, aber wir haben eine Methode entwickelt, um dies zu messen, insbesondere für dünne, flexible Filme.“

Das Forschungsteam maß auch die Fähigkeit des Materials, Elektrizität zu erzeugen, indem es einen Temperaturunterschied oder einen thermischen Gradienten zwischen zwei Umgebungen nutzt. Die Forscher sagten, dass sie dies zum Heizen, Kühlen oder zur Stromversorgung kleiner elektronischer Geräte nutzen könnten.

Liu sagte, dass diese thermoelektrischen Eigenschaften zwar wichtig seien, es aber auch entscheidend gewesen sei, ein Material gefunden zu haben, das zudem flexibel, in der Luft stabil und relativ einfach herzustellen sei.

„Der Punkt dieses Artikels ist nicht, dass wir die beste thermoelektrische Leistung erreicht haben“, sagte Liu. „Wir haben etwas erreicht, das als flexibles, elektronisches, weiches Material verwendet werden kann, das leicht herzustellen ist. Es ist leicht, dieses Material herzustellen und diese Eigenschaften leicht zu erreichen.“

Ihre Vision für das Projekt besteht letztlich darin, einen intelligenten Stoff zu entwickeln, der den Träger wärmen und kühlen und gleichzeitig Energie gewinnen kann. Sie glauben, dass ein intelligentes Kleidungsstück dazu beitragen könnte, den Energieverbrauch zu senken.

„Anstatt eine ganze Wohnung oder einen ganzen Raum zu heizen oder zu kühlen, würden Sie den persönlichen Raum um den Körper herum heizen oder kühlen“, sagte Ghosh. „Wenn wir den Thermostat um ein oder zwei Grad herunterdrehen könnten, könnten wir enorm viel Energie sparen.“

Der Artikel „In-plane Thermoelectric Properties of Flexible and Room Temperature Processable Doped Carbon Nanotube Films“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Energiematerialien. Die Mitautoren des Artikels sind Ankit Negi und Kyunghoon Kim, die Doktoranden an der NC State sind. Die Forschung wurde von der National Science Foundation im Rahmen der Zuschüsse 1943813 und 1622451 sowie vom Innovation Fund des Kanzlers der NC State gefördert.

(C) NCSU

Ursprünglicher Beitrag von: WRAL TechWire