Ultralow CNT-reinforced phase-change fibers for scalable wearable thermoregulation

Bekleidung, die Ihnen hilft, sich genau richtig zu fühlen

Komfort in heißen Sommern und kalten Wintern bedeutet oft, Klimaanlagen und Heizungen hochzufahren – Systeme, die sehr viel Energie verschwenden. Diese Studie verfolgt einen anderen Ansatz: Kleidung, die still Wärme aufnimmt, speichert und wieder abgibt und so hilft, die Körpertemperatur in einem angenehmen Bereich zu halten, bei deutlich geringerem Energieeinsatz. Die Forschenden haben neue Fasern entwickelt, die zu Alltagsstoffen verwoben werden können und doch einen kraftvollen Trick verbergen: Sie schmelzen und erstarren vorübergehend, um Temperaturschwankungen zu dämpfen, bleiben dabei aber stark, langlebig und im großen Maßstab herstellbar.

Warum schlauere Kleidung wichtig ist

Gebäude verursachen einen großen Anteil des weltweiten Energieverbrauchs und der CO2‑Emissionen, weil herkömmliche Heiz- und Kühlsysteme ganze Räume und Büros auf gleichmäßige Temperaturen halten müssen. Personelle Wärmeregulierung kehrt diese Idee um und konzentriert sich stattdessen auf die dünne Luftschicht um jede Person. Wenn Kleidung Trägerinnen und Trägern Komfort bieten kann, ließen sich Häuser und Büros in größeren Temperaturbereichen betreiben, was Energie spart, ohne den Komfort zu opfern. Phasenwechselmaterialien – Stoffe, die beim Schmelzen Wärme aufnehmen und beim Wiedergefrieren wieder abgeben – sind vielversprechend für solche smarten Textilien, leiden aber in aktuellen Produkten oft unter Auslaufen, geringer Belastbarkeit oder unzureichender Wärmespeicherung, um praktisch zu sein.

Wärmespeichernde Fasern von innen heraus aufbauen

Die Autorinnen und Autoren gingen diese Probleme an, indem sie eine neue Art von Phasenwechsel-Faser vom molekularen Niveau aufwärts entwickelten. Im Kern befindet sich eine wachsähnliche Substanz, n‑Docosan, die bei hautfreundlichen Temperaturen schmilzt und während dieses Übergangs große Mengen Wärme speichern kann. Dieses Material ist fest in einem dreidimensionalen Geflecht aus zwei gebräuchlichen Kunststoffen eingeschlossen, das wie ein mikroskopischer Käfig wirkt. Dieser Käfig verhindert, dass das Wachs beim Schmelzen herausfließt, und erlaubt zugleich die Aufnahme und Abgabe von Wärme. Die gesamte Mischung wird dann durch standardmäßige Schmelzspinnanlagen gepresst – derselbe grundlegende Prozess, der bei vielen synthetischen Fasern verwendet wird – und mehrfach gedehnt, um die innere Struktur auszurichten und lange, kontinuierliche Stränge zu erzeugen, die sich zum Weben und Nähen eignen.

Nanoröhren für zusätzliche Leistung nutzen

Eine zentrale Erkenntnis der Arbeit ist, dass bereits eine winzige Menge an Kohlenstoffnanoröhren – etwa ein Teil auf tausend nach Gewicht – das Verhalten der Fasern deutlich verbessert. Diese haarfeinen Kohlenstoffzylinder bilden ein spärliches inneres Gerüst. Sie dienen als Keimstellen, an denen das Wachs effizienter kristallisieren kann, wodurch die gespeicherte Wärmemenge steigt und die Wiederholbarkeit des Schmelz‑Gefrier‑Zyklus verbessert wird. Gleichzeitig bilden die Nanoröhren Wärmeleitpfade entlang der Faser und helfen den umgebenden Kunststoffen, sich auszurichten und mechanische Lasten mitzuteilen. Computersimulationen auf atomarer Ebene zeigen, warum: Bei niedrigen Nanoröhrenkonzentrationen haften Moleküle gerade genug an den Rohrflächen, um geordnete, wenig beanspruchte Kristalle und gut orientierte Ketten zu bilden; bei höheren Konzentrationen beginnen die Röhren, sich zu drängen und die Bewegung zu behindern, sodass es bei ultraniedriger Beladung einen Sweet Spot gibt.

Von Laborfasern zu realen Stoffen

In Tests speicherten die optimierten Fasern Wärme in ähnlichem Maße wie deutlich voluminösere Phasenwechselmaterialien, blieben dabei aber äußerst dehnbar und zäh – sie konnten sich mehr als fünfzehnfach ihrer ursprünglichen Länge verlängern, bevor sie brachen. Ihre Wärmeleitfähigkeit stieg im Vergleich zu ähnlichen fasern ohne Nanoröhren um ein Vielfaches, sodass sie Wärme schnell aufnehmen und wieder abgeben konnten. Beim Verweben zu Stoffen und Nähen mit standardmäßigen Textilmaschinen entstanden Kleidungsstücke, die sich fast ohne Beschädigung zuschneiden und nähen ließen. Unter simuliertem Sonnenlicht erwärmten sich Stoffe mit Nanoröhren effizient und gaben diese Wärme dann dank des internen Schmelzprozesses langsam wieder ab. In Versuchswesten, die an einem sonnigen Tag im Freien getragen wurden, hielten diese phasenwechselnden Kleidungsstücke die Oberfläche und die Haut des Trägers mehrere Grad kühler als gewöhnliche Kleidung; in einer heißen, ofenähnlichen Innenumgebung verlangsamten sie ebenfalls den Wärmeanstieg am Körper.

Was das im Alltag bedeutet

Insgesamt zeigt diese Forschung, dass es möglich ist, Kleidungsfasern zu entwerfen, die wie winzige, wiederaufladbare Wärmespeicher funktionieren, ohne Komfort, Festigkeit oder Herstellbarkeit zu opfern. Durch die sorgfältige Kombination eines wachsigen Wärmespeicherkerns, eines unterstützenden Kunststoffgerüsts und gerade genügend Kohlenstoffnanoröhren, um die Erstarrung und Wärmeleitung zu lenken, hat das Team Fasern geschaffen, die auf bereits in der Textilindustrie eingesetzten Anlagen produziert werden können. Aus diesen Fasern gefertigte Stoffe können Temperaturschwankungen um die Trägerin oder den Träger passiv abmildern und dadurch den Bedarf an energieintensiven Heiz‑ und Kühlsystemen potenziell verringern. Langfristig könnten solche smarten Textilien nicht nur im Alltagsgebrauch, sondern auch in Schutzkleidung für Arbeiter und Ersthelfer, in Außenunterkünften und sogar in medizinischen Anwendungen, in denen sanfte, kontrollierte Wärme oder Kühlung erforderlich ist, eingesetzt werden.

Zitation: Geng, X., Wang, Z., Xiong, F. et al. Ultralow CNT-reinforced phase-change fibers for scalable wearable thermoregulation. Nat Commun 17, 2228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x

Schlüsselwörter: smarte Textilien, phasenwechselmaterialien, tragbare Thermoregulation, Kohlenstoffnanoröhrenfasern, energieeffiziente Kleidung