"Jaka, kas 'sašaurinās', kad svīstat": Bakteriālā celuloze iemācīja apģērbam pašregulēt siltumu

Science Advances aprakstīja “gudru” siltu audumu, kura pildījums ir izgatavots no dabīgas bakteriālas celulozes, kas reaģē uz svīšanu: kad ap ķermeni ir mitrs, materiāls automātiski kļūst plānāks, bet, kad tas ir sauss, tas atkal iegūst “uzpūšanos” un saglabā siltumu. Prototipā biezums mainījās no aptuveni 13 mm (sauss) līdz 2 mm (mitrs), un vispārējā ideja ir pagarināt termiskā komforta laiku bez elektronikas un baterijām.

Fons

Ko esi iepriekš mēģinājis:

1. Fāzes maiņas materiāli (PCM) mikrokapsulās "norij" siltumu kušanas laikā un atbrīvo to kristalizācijas laikā, bet darbojas šaurā temperatūras logā un slikti reaģē uz reālu svīšanu.
2. Uz nanoporaina polietilēna (nanoPE) bāzes veidoti starojošie audumi ļauj iziet cauri ķermeņa termiskajam IR starojumam, nodrošinot pasīvu "starojuma dzesēšanu", taču tas būtībā ir kanāls izvadīšanai, nevis "izolācijas pašregulācija" svīšanas laikā.
3. Mitruma aktuatori/higromorfiskie audumi maina formu/poras, palielinoties mitrumam, paplašinot “komforta zonu” bez vadiem — virziens strauji nobriest.

• Problēma, ko risina “viedie” audumi. Apģērba termiskais komforts samazinās, strauji mainoties aktivitātei: pārkaršanai un svīšana slodzes laikā, hipotermija mitra slāņa dēļ apstāšanās laikā. Tāpēc pēdējos gados strauji attīstās adaptīvie termiskie/mitruma tekstilizstrādājumi, kas regulē siltumapmaiņu bez baterijām un sarežģītas elektronikas. Pārskatos uzsvērts galvenais vektors – dinamiska siltuma un mitruma pārvaldība šķiedru/auduma slāņu līmenī.
• Kāpēc mitrums/sviedri ir labākais "aktivizācijas" faktors. Sviedri ir galvenais ātrais pārkaršanas rādītājs: tiklīdz palielinās lokālais mitrums, sistēmai ir jāsamazina termiskā pretestība (mazāk "uztūkuma"/gaisa kameru) un jāpalielina iztvaikošana; kad tie izžūst, jāatgriež izolācija. Tādēļ radās ideja par materiāliem, kas automātiski reaģē uz mitrumu, nevis uz ārējo temperatūru. Tas ietaupa enerģiju un ļauj izvairīties no apjomīgas elektronikas.
• Kas ir bakteriālā celuloze un kāpēc tā ir daudzsološa? BC ir biopolimērs, ko “audzē” etiķskābes baktērijas ( Komagataeibacter ): tas veido nanofibrilāru tīklu ar augstu ūdens ietilpību, izturību, gaisa caurlaidību un bioloģisko saderību. Tekstilizstrādājumu/materiālzinātnē BC tiek vērtēta, pateicoties tās jutībai pret mitrumu un ilgtspējīgai ražošanai no atjaunojamām izejvielām.
• Zinātniska plaisa, ko aizpilda jauns raksts. Lielākā daļa pasīvo risinājumu vai nu noņem siltumu (starojot), vai arī buferē to (PCM), vāji ņemot vērā, ka pašam mitrumam vajadzētu "pārslēgt" izolāciju. Darbā žurnālā "Science Advances " BC slānis tiek izmantots kā siltā apģērba "sirds", kas sviedru ietekmē kļūst plānāks (mazāk gaisa → mazāk izolācijas) un atkal iztaisnojas, kad izžūst, tas ir, tas veido pašregulējošu siltumizolāciju, pamatojoties uz ķermeņa mitrumu.
• Lauka konteksts: kur tas iederas? Tendence ir uz pasīvām, bio- un polimēru sistēmām, kas paplašina “komforta logu” bez lietotāja enerģijas. Blakus tām ir: jaunās paaudzes higromorfiskie izpildmehānismi (kas uzrāda ievērojamu komforta zonas paplašināšanos) un celulozes/bioloģiskas izcelsmes starojuma dzesēšana — BC labi iederas šajā “zaļajā” personīgās siltuma pārvaldības nozarē.
• Praktiska ietekme uz rūpniecību: ja BC izolācijas mitruma kontrolētā “pilnība” tiks apstiprināta valkājamības testos (mazgāšana, nodilums, smakas, reakcijas sliekšņa regulēšana), ražotājiem būs pieejams mērogojams, uz bioloģiskas bāzes veidots pildījums ziemas/aktīvajiem slāņiem — ar mazāku pārkaršanu kustībā un mazāku drebuļu miera stāvoklī. Tas papildina, nevis konkurē ar starojuma un PCM risinājumiem: tos var kombinēt daudzslāņu sistēmās.

Kā tas darbojas

• Bakteriālās celulozes (BC) pildījums ir dabisks nanofibrilu "tīkls", ko ražo nekaitīgas baktērijas (visiem pazīstamas no tējas sēnītes/kombučas). Šī membrāna ir viegla, izturīga, elpojoša un hidrofila - tā lieliski "uztver" mitrumu.
• Sākot svīst, lokālais mitrums zem apģērba palielinās, šķiedru slānis zaudē savu "pietūkumu" un saplacinās - mazāk gaisa iekšpusē → mazāk izolācijas → ķermenim ir vieglāk zaudēt lieko siltumu. Tiklīdz jūs izžūstat, struktūra atkal iztaisnojas un atgriež augstu siltumizolācijas līmeni, pateicoties gaisam starp šķiedrām. Tas ir vienkāršs pasīvs mehānisms, kas darbojas uz mitrumu, nevis elektroniku.

Ko autori parādīja

• Pielāgošanās sviedriem un mitrumam. Sausos apstākļos materiāls saglabā maksimālo biezumu ~13 mm, un augstā mitrumā (imitējot svīšanu) tas kļūst plānāks līdz ~2 mm. Pateicoties šādam "mainīgajam biezumam", prototips ievērojami pagarina termiskā komforta laiku salīdzinājumā ar parasto silto audumu, īpaši mainot režīmu "atpūta → slodze".
• Princips ir mērogojams. Autori uzsver, ka “pildījumu” var iešūt dažāda veida apģērbā — sākot no oderes līdz izolācijas slāņiem — un pielāgot klimatam/slodzei.

Kāpēc tas vispār ir nepieciešams?

Klasisks siltais apģērbs ir kompromiss: jo siltāks slānis, jo lielāks risks "pārkarst un svīst", un pēc tam pārdzesēties slapjā apakšveļas "mini-saunas" dēļ. Tekstilizstrādājumi, kas svīšanas laikā vājina izolāciju un atgriež to, kad izžūst, palīdz uzturēt "zelta vidusceļu" bez liekiem rāvējslēdzējiem, vārstiem un baterijām. Mitrumam ir galvenā loma cilvēka termoregulācijā (siltums tiek aizvadīts ar iztvaikošanu), tāpēc "viedie" audumi arvien vairāk mācās reaģēt specifiski uz mitrumu/gaisa mitrumu.

Kā tas atšķiras no citiem viedajiem audumiem?

• Nav elektronikas. Atšķirībā no aktīvajām sistēmām (termoelementiem/mīkstajām robotikām), šeit notiek tīra materiāla fizika: slapjš → plānāks, sauss → biezāks. Tas ir vienkāršāk, lētāk un potenciāli izturīgāk.
• Nevis "vārsti", bet gan "pilnīgums". Iepriekš tika piedāvāti audumi ar mitruma vārstiem/porām vai ar akordeona biezumu uz polimēru ieliktņiem. Tagad "akordeona" lomu pārņem dabīgā bakceluloze, kas jau ir pazīstama medicīniskajos pārsējos un "zaļajos" tekstilizstrādājumos.
• Ekoloģiskais potenciāls. Bakteriālā celuloze ir bioloģiski saderīga un bioloģiski noārdāma, to var audzēt bez kokvilnas un eļļas, un tās ražošana atbilst pašreizējai tendencei izmantot ilgtspējīgus materiālus.

Kur tas var būt noderīgi

• Ziema pilsētā un "birojs-iela-metro". Aktivitātes un klimata izmaiņas mazāk "iemet" ķermeni karstumā/aukstumā - komforts "saglabājas" ilgāk.
• Kalnu/skriešanas aktivitātes. Kāpiena/skriešanas laikā audums elpo, un atpūtas brīdī tas atkal izolē.
• Lauka un ražošanas apstākļi. Jo mazāk kustīgu detaļu un elektronikas, jo uzticamāka. (Plus pluss ir vieglais svars un blūzes "elpojamība".)

Ierobežojumi

Tas joprojām ir zinātnisks izstrādes stadijā un prototips; tas joprojām ir jāpārbauda ikdienas valkāšanai:

• Izturība un mazgājamība (vairāki mitrināšanas un žāvēšanas cikli, "dzīves ķīmiskā tīrīšana"),
• Ādas komforts un nepatīkamas smakas, ilgstoši valkājot,
• Reakcijas “sliekšņu” iestatīšana dažādiem klimata/svīšanas profiliem,
• Bakcelulozes audzēšanas izmaksas un mērogošana auduma ruļļos. Salīdzinājumam: "termoregulējošo" audumu joma aktīvi attīstās, taču tikai daļa ideju sasniedz masu tirgu.

Secinājums

"Apģērbs, kas pielāgojas sviedriem" ir loģisks turpinājums desmit gadus ilgiem meklējumiem pēc mitrumjutīgiem un temperatūras jutīgiem tekstilizstrādājumiem. Jauns raksts žurnālā "Science Advances" pievieno dabisko baktēriju celulozi kā adaptīvās izolācijas "sirdi" un parāda lielu biezuma izmaiņu amplitūdu (13 → 2 mm) līdz ar termiskā komforta laika palielināšanos - bez vadiem un sensoriem.

Avots: Sviedriem jutīgs adaptīvs silts apģērbs, Science Advances (AAAS), 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adu3472