Самая продуманная дорожная одежда Норвегии сохраняет прохладу в жарких кабинах вертолетов, но трансформируется в теплозащитный костюм, если вертолет падает в море.
Изменяет фазу
Костюм был разработан, чтобы помочь персоналу морских платформ на норвежском континентальном шельфе выжить, если произойдет авария и они упадут в бурлящие волны внизу. Новый костюм, который был совместно разработан SINTEF и норвежским производителем одежды Helly Hansen, специально разработан для удовлетворения потребностей персонала морских платформ. Наряду с тем, что он является спасательным костюмом и обеспечивает защиту от ледяной воды, костюм адаптирован для обеспечения комфорта во время полетов вертолета на платформу и обратно.
«С точки зрения производства люди утверждали, что невозможно удовлетворить противоречивые требования к охлаждению и теплоизоляции в одном и том же костюме», - говорит директор по исследованиям Рэнди Рейнертсен, профессор физиологии в SINTEF и руководитель рабочей группы. группа, разработавшая новый костюм для выживания.
«Мы использовали ткань, которая может менять фазу, и использовали наши знания о том, как холод и жара влияют на человеческое тело. Это позволило нам разработать костюм, который работает в тандеме с собственными реакциями тела на охлаждение и нагревание».
Вшитые капсулы
Недавно разработанный норвежский костюм может справляться с задачами охлаждения и обогрева благодаря ткани, содержащей крошечные вплетенные капсулы. Капсулы содержат микроскопические частицы, которые состоят из специально разработанного типа парафина. Если температура кожи человека в костюме поднимается выше 28 градусов по Цельсию, воск меняет фазу с твердой на жидкую.
«Для плавления требуется тепло, которое парафиновый воск забирает у тела и охлаждает владельца в кабине вертолета в жаркие дни», - говорит Рейнертсен. «С другой стороны, если человек оказывается в море, парафин меняет фазу и возвращается в твердое состояние, позволяя костюму возвращать накопленное тепло обратно в тело».
Аналогия из повседневной жизни - стакан воды с кубиками льда. Пока весь лед не растает, вода сохраняет температуру плавления льда, то есть ноль градусов по Цельсию. Температура воды начнет повышаться только тогда, когда весь лед растает.
«Результаты показывают, что ткань сохраняет тепло и комфорт владельца костюма в течение шести часов в сложных морских условиях», - говорит Рейнертсен.
Это может означать разницу между жизнью и смертью.
Использование свойств
Материалы всегда имели большое значение для человека. Раньше материалы выполняли только вспомогательную функцию. Древесина, сталь и железо в основном использовались для строительства. Сегодняшние материалы имеют другой калибр, содержащий дополнительные специальные свойства, в основном электрические, оптические, магнитные и химические. Вместо того, чтобы использовать их в строительных целях, мы наделяем их свойствами, обеспечивающими повышенную прочность, лучшую защиту от ржавчины, отталкивание граффити или способность накапливать или излучать тепло. Современные функциональные материалы имеют такие формы, как мембраны, катализаторы, тонкие пленки, полупроводники и сенсоры.
«Речь идет об использовании, корректировке и добавлении новых свойств к материалам», - говорит директор по исследованиям Йостейн Мордален в SINTEF. «Сегодня у нас есть знания для разумной разработки материалов с минимумом проб и ошибок».
Умные материалы
Умные материалы дают нам много возможностей. На кафедре физиологии труда в SINTEF усердно работает Торе Кристиан Б. Сторхольмен. Он разработал концепцию шлема ProActive и недавно получил награду от Норвежского совета по дизайну. Он показывает белый шлем и объясняет, почему он такой умный.
«Шлем внутри покрыт материалом под названием d3o, изготовленным из интеллектуальных молекул. Они текут свободно до тех пор, пока не подвергаются давлению, но в тот момент, когда они получают удар или воздействие, они сцепляются друг с другом. Мягкое и гибкое нормальное состояние материала мгновенно фиксируется и становится твердым и амортизирующим», - говорит Сторхольмен, добавляя: «Когда шок после удара ослабевает, молекулы разблокируются и снова становятся гибкими».
Материал d3o не твердеет при ударе, но эффект сравним с сеткой, которая поглощает и распределяет силу.
Шлем по форме напоминает бейсболку. Части прототипа шлема прозрачны, чтобы люди могли наблюдать за материалом d3o.
Свойства d3o делают его идеальным для защиты организма, и он может быть полезен для спортсменов и тех, кто работает в уязвимых условиях.
«У меня есть брат, который работает в строительной отрасли, и он сказал мне, что многие люди считают защитные каски неудобными», - говорит Сторхольмен. «Я хотел сделать шлем, который было бы удобно носить и который обеспечивал бы необходимую защиту».
Умный материал d3o также используется для защиты коленей в детских комбинезонах, шапках для сноубордистов, футбольных наколенниках и защитной экипировке для мотоциклистов.
Умные функции
«Мы становимся все лучше в использовании свойств материалов, потому что наше базовое понимание свойств материалов расширяется», - говорит Мордален. «Мы также получаем все более совершенные аналитические инструменты для изучения материалов на наноуровне. Возможно, наиболее важным вкладом является то, что теперь мы можем создавать материалы в нанометровом масштабе.”
Химики и физики уже много лет изучают материалы на наноуровне, но не могут построить с достаточной точностью на субмикроуровне. Сейчас ученые продвинулись так далеко, что могут конструировать и манипулировать на уровне атомов с достаточной точностью. Это одна из основных причин, почему нанотехнологии сейчас набирают обороты.
«Эти знания дают нам возможность персонализировать материалы и поверхности, чтобы они приобретали нужные нам свойства», - говорит Мордален.
Улучшение упаковки
Например, ученые SINTEF используют нанотехнологии для улучшения материалов в упаковке для пищевых продуктов. Контакт с воздухом является одним из основных факторов, снижающих качество пищевых продуктов. Поэтому производители продуктов питания полагаются на упаковку, которая имеет хорошую способность блокировать кислород, в то время как перспектива вторичной переработки также важна.
«Сегодняшняя упаковка для пищевых продуктов имеет барьерные решения, включающие до девяти слоев полимеров, что делает ее сложной и дорогой, - говорит директор по исследованиям Бьорн Стейнар Танем.«Мы работаем над уменьшением количества слоев путем смешивания наночастиц с пластиком. Мы также работаем над решениями, в которых мы сочетаем барьеры с повышенной степенью переработки материалов. Сегодня разные слои упаковки состоят из таких разных полимеров, что материал невозможно переработать».
Новая упаковка будет лучше, дешевле и экологичнее, чем сегодняшняя упаковка для пищевых продуктов. Сейчас исследование находится на стадии проверки. Если это удастся, следующим этапом станут заводские испытания.
Сохранение тепла
Может ли покрытие действительно удерживать тепло? Ответ положительный. В рамках проекта Heat Reflective Coatings компания SINTEF в сотрудничестве с Hydro Aluminium и DuPont Powder Coatings создала порошковое покрытие, снижающее потери тепла. Покрытие наносится на алюминиевые оконные и дверные рамы.
Йостейн Мордален приводит в пример некоторые эскизы проекта на своем компьютере, говоря с энтузиазмом.
«Покрытие означает, что потери тепла через оконные рамы уменьшаются на 20-23 процента», - говорит он.«Необычно думать об изоляции таким образом, но эффект отличный. Секрет этого изобретения заключается в использовании нанотехнологий в установленном промышленном процессе - порошковой окраске».
Свойства покрытия можно использовать и с противоположной целью: для защиты от тепла. Одним из чрезвычайно важных примеров может быть предотвращение перегрева автомобиля в теплый летний день.
Для достижения этих свойств ученые-исследователи разработали покрытие с низким уровнем теплового излучения и отличными характеристиками теплоотдачи. Покрытие уже коммерциализировано и используется производителями алюминиевых рам. Он экологически безопасен, практически не содержит растворителей, и со временем его можно будет использовать не только для окон, но и для изоляции других вещей.
«С энергетической точки зрения это очень интересно. Речь идет о революционном подходе к изоляции», - говорит Мордален. «Мы понимаем, что нанесение этого покрытия на различные виды строительных изделий актуально для снижения теплопотерь или солнечного нагрева. Этот продукт чрезвычайно полезен».
Захват света
Некоторые коллеги Мордалена из SINTEF работают над другим покрытием - или тонкой пленкой - с умной функцией: оно повысит эффективность солнечных элементов.
«Сегодняшние солнечные батареи улавливают около 15 процентов солнечного света. Причина, по которой больше не поглощается, заключается в том, что улавливается только видимый солнечный свет», - говорит старший научный сотрудник Арне Ройсет. «Традиционно считается, что солнечные батареи должны адаптироваться к свету. Мы решили решить эту проблему, а также поработать над тем, чтобы солнечный свет адаптировался к солнечным батареям».
Люди могут видеть свет в диапазоне от 400 до 700 нанометров. Обычные солнечные элементы улавливают свет вплоть до 1000 нанометров, но, несмотря на это, большая часть света ускользает. Солнечный свет имеет определенную длину волны и количество энергии. При объединении двух и двух частиц количество энергии удваивается, а длина волны уменьшается вдвое.
«Тонкая пленка размещается снаружи солнечных элементов, и это возможно благодаря оптическим свойствам», - говорит Ройсет. «При уменьшении вдвое длины волны невидимый свет становится видимым и, как следствие, захватывается солнечными клетками. Мы называем это преобразованием частоты или захватом света. Дело в том, что мы лучше используем солнце».
Если ученые-исследователи добьются успеха, солнечные элементы с покрытием повысят эффективность солнечных элементов без значительного увеличения затрат. Солнечные элементы и покрытие являются примером оптических материалов. Существенными факторами оптических материалов являются то, как свет создается, отражается, поглощается и распространяется.
«Раньше исследования материалов часто были направлены на то, чтобы сделать материалы более прочными и легкими, как в случае с алюминием. Мы работали над улучшением свойств, которыми уже обладали материалы», - говорит Ройсет. «Сейчас исследования все больше обращаются к приданию материалам новых функций. Потенциал практически безграничен».