Textilien mit Thermostat

Heizungen werden mit Thermostaten mit integriertem Bimetall-Schalter geregelt. Diese bestehen aus zwei aufeinander gelegten Metallstreifen mit jeweils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine vergleichbare dynamische Temperaturregulierung gelang nun amerikanischen Materialforschern mit beschichteten, bimorphen Textilfasern. Daraus woben sie einen Stoff, der einen kühlen Körper wärmt und mit steigender Temperatur und zunehmender Feuchtigkeit mehr und mehr kühlt. Damit legten sie die Grundlage für funktionelle Sportkleidung, die ihre Durchlässigkeit für Wärmestrahlung selbstständig an die Temperatur schwitzender Körper anpasst.

„Mit diesem Stoff lässt sich erstmals die Infrarotstrahlung dynamisch regulieren“, sagt YuHuang Wang von der University of Maryland in College Park. Gemeinsam mit seinen Kollegen entwickelte er ein funktionelles Fasergewebe, das sich abhängig von Temperatur und Feuchtigkeit sowohl in seiner Struktur als auch in der Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung veränderte. Die Grundlage für diesen Thermostat-Stoff bildete eine Metafaser aus zwei unterschiedlichen Fasertypen. So kombinierten die Forscher hydrophobe Triacetat-Fasern mit hydrophilen Zellulose-Fasern. Den daraus gewobenen Stoff beschichteten sie zusätzlich mit einer hauchdünnen Lage aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Im kühlen und trockenen Zustand ordneten sich die Fasern locker nebeneinander und bildeten einen gleichmäßigen Stoff mit geringer Porösität. Wurde der Stoff erwärmt und angefeuchtet – analog zum Schwitzen beim Sport –, zogen sich die bimorphen Fasern sukzessive zusammen. Im Textilgewebe öffneten sich die Maschen und die Durchlässigkeit für Wärmestrahlung nahm zu. Ohne die Nanoröhrchen-Beschichtung stieg die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung allerdings nur um wenige Prozent an. Für eine effektive Kühlung schwitzender Sportler wäre dieser strukturelle Effekt allerdings zu gering.

Versuche mit einem Stoff aus beschichteten Metafasern zeigten deutlich größere Veränderungen. Denn mit zunehmender Feuchtigkeit weiteten sich nicht nur die Maschen des Stoffes. Parallel verringerte sich in jedem Faserbündel der Abstand zwischen den mit Nanoröhrchen beschichteten Fasern. Dadurch veränderte sich deren elektromagnetische Kopplung und das Absorptionsverhalten für Wärmestrahlung. So ließ der feuchte Stoff bevorzugt Infrarotstrahlung mit Wellenlängen um zehn Mikrometer hindurch. Die Durchlässigkeit stieg von etwa zwei auf bis zu 35 Prozent an. Dieser Wandel war zudem reversibel und erfolgte binnen einiger Sekunden fast simultan mit dem Wechsel vom feuchten zum trockenen Zustand.

Ein weiterer Vorteil: Der menschliche Körper emittiert Wärmestrahlung vor allem im Spektralbereich um zehn Mikrometer Wellenlänge. So kann ein schwitzender Sportler seine Körperwärme durch den Stoff leichter nach außen abführen. Beim getrockneten Stoff sank die Wärmedurchlässigkeit wieder drastisch, zugleich verschob sich das Emissionsfenster zu Wellenlängen zwischen 20 und 25 Mikrometern. Das hatte zur Folge, dass Infrarotstrahlung stärker blockiert wurde und der Stoff zunehmend wärmte. „So kann dieser Stoff auf die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers reagieren“, sagt Wang.

„Niemand zuvor hat einen Weg gefunden, um sowohl die Porösität als auch die Transparenz für Infrarotstrahlung in einem Stoff derart zu verändern“, beurteilt Ray Baughman von der University of Texas diesen Forschungsansatz. Doch bis zu einem Trikot mit integriertem Thermostaten könnte es noch etwas dauern. Denn bisher haben die Wissenschaftler ihre Fasern nur zu einem etwa einen halben Quadratmeter großen Stoffstück verwoben. Das gelang auch ohne große Probleme, da sowohl Zellulose- als auch Triacetat-Fasern bereits in der Textilindustrie genutzt werden. Für die Beschichtung mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff müsste jedoch noch ein günstiges, großtechnisches Verfahren entwickelt werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. A. Zhang et al.: Dynamic gating of infrared radiation in a textile, Science 363, 619 (2019); DOI: 10.1126/science.aau1217
• Center for Nanophysics and Advanced Materials, University of Maryland, College Park

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