Светлая одежда в жару — правило, которое усваивают ещё в детстве: белые и пастельные ткани отражают солнечный свет и потому меньше нагреваются, а чёрное к полудню превращается в личную печку. Исследователи из Китая и Австралии предлагают из этого правила выйти. Они создали тёмно-фиолетовую ткань, которая на солнце остаётся холоднее белого хлопка.
Источник изображения — popsci.com
Команда из Университета Чжэнчжоу и Университета Аделаиды поставила задачу прямо: получить материал тёмного цвета, который при этом эффективно охлаждает носящего. Результатом стала принципиально новая ткань из фиолетового металл-органического каркаса и наночастиц оксида цинка. Металл-органический каркас поглощает зелёную часть солнечного спектра и как раз даёт фиолетовый цвет, а наночастицы оксида цинка отражают солнечный свет и отводят тепло излучением.
В испытаниях материал показал себя исключительно хорошо. Он отразил в среднем почти 88% солнечного излучения и на открытом воздухе оставался на 11 °F (около 6,2 °C) холоднее обычного фиолетового хлопка. Что важнее — он оказался на 7,6 °F (примерно 4,2 °C) холоднее даже белого хлопка. В мире, где смертельно жаркое лето становится нормой, такие материалы способны реально облегчить жизнь тем, кто работает под открытым небом.
«Традиционно нам приходилось выбирать между охлаждающими свойствами и внешним видом, — заявил материаловед Университета Аделаиды и соавтор исследования Цзюнь Ма. — Наша работа показывает, что можно получить и то и другое. Мы можем сделать ткань, которая выглядит фиолетовой, но при этом отражает большую часть солнечной энергии и очень эффективно отдаёт тепло». Результаты опубликованы в журнале Small.
Четыре градуса разницы звучат скромно, но в тепловом балансе человека это много. Разрыв в 6,2 °C с обычным фиолетовым хлопком означает, что тёмная одежда перестаёт быть отдельным источником нагрузки на организм, а выигрыш в 4,2 °C у белого — что охлаждение здесь обеспечивает не цвет, а структура материала. Именно это отличает работу от простого подбора удачного оттенка красителя.
Почему светлые цвета кажутся прохладнее
В общем случае светлые оттенки действительно лучше подходят для жары, потому что отражают больше солнечного света. Белые и вовсе непигментированные материалы справляются с нагревом лучше всего, тёмно-чёрные — хуже всех. Тот же принцип работает и в строительстве: светлые кровли и фасады заметно снижают нагрев зданий, из-за чего в жарких странах побелка стен — не эстетика, а инженерное решение.
За вторую половину механизма отвечает радиационное охлаждение. Любое тело излучает тепло в инфракрасном диапазоне, и если материал делает это эффективно, часть энергии уходит прямо в небо, минуя окружающий воздух. Именно на этом эффекте построены современные пассивные охлаждающие покрытия: они одновременно отражают приходящее солнечное излучение и хорошо отдают собственное тепловое. Наночастицы оксида цинка в новой ткани работают на обе задачи сразу — отражают свет и повышают тепловое излучение волокна.
Фиолетовый для эксперимента выбрали не случайно. Он очевидно тёмный, но при этом сильно поглощает зелёный свет — а именно на зелёную область приходится один из самых мощных участков солнечного спектра. То есть учёные намеренно взяли для проверки один из самых неудобных вариантов: если охлаждение работает здесь, оно тем более сработает на более выгодных цветах.
Оговорки, впрочем, необходимы. Цвет — далеко не единственный фактор теплового комфорта. Материал и крой значат столько же, если не больше: свободная дышащая одежда из хлопка или льна пропускает несравнимо больше воздуха, чем облегающая. Именно поэтому бедуины в пустынях Северной Африки могут носить почти сплошь чёрное и не падать от теплового удара — свободный многослойный крой создаёт конвекцию у самой кожи. И всё же при прочих равных светлые оттенки остаются более прохладным выбором.
Понятен и прикладной смысл именно тёмного варианта. Белая рабочая одежда быстро теряет вид на стройке или в поле, а во многих отраслях цвет формы задан корпоративными или отраслевыми правилами и не подлежит обсуждению. Если охлаждающие свойства перестанут быть привязаны к белому, тепловой комфорт можно будет добавить к существующей униформе, ничего в ней внешне не меняя.
Как сделали охлаждающую фиолетовую ткань
Чтобы получить материал, команда соединила фиолетовый металл-органический каркас ZIF-67 с наночастицами оксида цинка. Методом электроспиннинга смесь вытянули в фиолетовые волокна из термопластичного полиуретана, которые затем сплели в ткань. Готовый материал нарезали на квадраты со стороной около 5 см и выставили под прямое солнце в Чжэнчжоу, рядом с контрольными образцами обычного белого и фиолетового хлопка.
Стоит пояснить, что такое металл-органический каркас. Это класс пористых кристаллических материалов, где ионы металла соединены органическими молекулами-перемычками в решётку с огромной внутренней поверхностью. Такие структуры давно применяют для хранения газов и разделения смесей, а здесь ZIF-67 используется нетипично — не как сорбент, а как структурный краситель с заданными оптическими свойствами. Электроспиннинг же позволяет вытягивать волокна диаметром в доли микрона прямо из раствора, распределяя наполнитель по всему объёму нити, а не только по её поверхности, — поэтому цвет и функция не смываются при стирке.
Итоговая ткань отразила в среднем 87,6% солнечного излучения. По охлаждению, по крайней мере в этих испытаниях, результат оказался убедительным: после целого дня под солнцем материал был на 7,6 °F (4,2 °C) холоднее белого хлопка и на 11,2 °F (6,2 °C) холоднее традиционного фиолетового.
Причём тепловой выигрыш достался не ценой практичности. Ткань осталась гибкой, устойчивой к растяжению и хорошо дышащей — влага испаряется, а не копится в виде пота. Насыщенность цвета и охлаждающие свойства сохранились после 50 циклов стирки, а ускоренные испытания на УФ-старение, эквивалентные примерно 108 дням интенсивного солнечного облучения, не выявили деградации характеристик. Для лабораторного материала это заметно лучше среднего: многие экспериментальные покрытия теряют свойства уже после нескольких стирок.
Наука против жары в теплеющем мире
Работа пока на ранней стадии, но авторы считают, что их подход способен сделать тёмные ткани менее отталкивающими в тёплый сезон. Радость для поклонников чёрного гардероба — приятный побочный эффект, а вот основные применения исследователи видят куда более прикладными. Такие материалы годятся для рабочей одежды строителей, фермеров и всех, кто проводит долгие часы под солнцем. Для людей физического труда на улице даже умеренное снижение температуры может оказаться вопросом жизни, а не комфорта.
«Долгосрочная возможность здесь — уйти от представления, что охлаждающие ткани обязаны быть белыми», — отметил аспирант-химик Университета Аделаиды и соавтор статьи Янчжэ Хоу.
Контекст у исследования безрадостный: летняя жара во многих регионах мира перешла из категории «неприятно» в категорию «смертельно опасно», и всё указывает на то, что дальше будет жарче. И индустрия моды, и обычные люди уже подстраиваются под новую реальность. Отчёт The New York Times 2022 года фиксировал заметный рост продаж шорт и сандалий на фоне резкого падения спроса на флис и тёплую верхнюю одежду — сдвиг, который частично объясняли ростом глобальных температур. В ту же сторону работают попытки нормализовать шорты в офисе и постепенный отказ от галстуков: рабочая культура адаптируется к более жаркому климату.
Исследование фиолетовой ткани пополняет уже длинный список попыток применить науку и технологии к охлаждающей одежде. На рынке закрепились сравнительно дорогие бренды «прохладной» одежды вроде Coolcore и Iso-Chill, обещающие спасение от жары. Компания Kontoor Brands, владеющая джинсовым гигантом Wrangler, выпускала рубашку Insta-Cool с материалом с фазовым переходом — технологией, изначально созданной для астронавтов NASA.
Для СНГ тема куда актуальнее, чем кажется. Летние температурные рекорды последних лет в Средней Азии, Закавказье и на юге России держатся выше +40 °C, а именно там сосредоточены сельское хозяйство и стройка — отрасли, где от солнца никуда не деться. Впрочем, до магазинов такие ткани дойдут нескоро: пока речь о лабораторных образцах размером в ладонь, а не о промышленных рулонах, и вопрос стоимости массового производства ZIF-67 остаётся открытым.
