Ультрамалозагруженные волокна с фазовым переходом, армированные углеродными нанотрубками, для масштабируемой персональной терморегуляции

Одежда, которая помогает чувствовать себя в точности комфортно

Чтобы ощущать комфорт в жаркие лета и холодные зимы, обычно приходится увеличивать работу кондиционеров и обогревателей — системы, которые расходуют много энергии. В этом исследовании рассматривают иной путь: одежду, которая тихо поглощает, накапливает и отдаёт тепло, помогая поддерживать комфортную температуру тела при гораздо меньших энергозатратах. Исследователи разработали новые волокна, пригодные для ткачества в повседневные ткани, но скрывающие внутри мощный приём: они временно плавятся и затвердевают, сглаживая колебания температуры, оставаясь при этом прочными, долговечными и простыми в масштабном производстве.

Почему важна более разумная одежда

Здания потребляют значительную долю глобальной энергии и являются источником больших выбросов углерода, потому что традиционные системы отопления и охлаждения поддерживают одинаковую температуру в целых помещениях и офисах. Персональное тепловое управление переворачивает эту идею, сосредотачиваясь на тонком слое воздуха вокруг каждого человека. Если сама одежда сможет поддерживать комфорт, в домах и офисах можно будет задавать более широкий диапазон температур, экономя энергию без потери удобства. Материалы с фазовым переходом — вещества, которые поглощают тепло при плавлении и возвращают его при кристаллизации — выглядят перспективными для таких умных тканей, но в существующих продуктах они часто протекают, легко ломаются или хранят слишком мало тепла, чтобы быть практичными.

Создание теплоаккумулирующих волокон изнутри

Авторы решили эти проблемы, спроектировав новый тип волокна с фазовым переходом на молекулярном уровне. В его основе — воскообразное вещество н-докозан, которое плавится при температурах, удобных для кожи, и может хранить большое количество тепла во время перехода. Этот материал плотно удерживается внутри трёхмерного переплетения двух распространённых пластиков, действующих как микроскопическая клетка. Такая «клетка» не даёт воску вытекать при плавлении и повторном затвердевании, при этом позволяя ему поглощать и отдавать тепло. Затем весь состав пропускают через стандартное оборудование для расплавного прядения — тот же базовый подход, что и при производстве многих синтетических волокон — и многократно растягивают, чтобы выровнять внутреннюю структуру, получая длинные непрерывные нити, пригодные для ткачества и шитья.

Использование нанотрубок для повышения характеристик

Ключевая идея работы в том, что добавление лишь крошечного количества углеродных нанотрубок — примерно одна часть на тысячу по массе — заметно улучшает поведение волокон. Эти тончайшие углеродные цилиндры формируют редкий внутренний каркас. Они служат точками, с которых воск может более эффективно кристаллизоваться, что увеличивает количество хранимого тепла и повышает повторяемость циклов плавления и затвердевания. Одновременно нанотрубки создают пути для быстрого переноса тепла вдоль волокна и помогают окружающим пластикам упорядочиваться и разделять механические нагрузки. Компьютерные моделирования на атомном уровне объясняют, почему: при низких концентрациях молекулы достаточно прилипают к поверхностям трубок, чтобы образовывались упорядоченные, с низким напряжением кристаллы и хорошо ориентированные цепи; при больших концентрациях трубки начинают мешать и ограничивать движение, поэтому существует оптимум при ультрамалом содержании.

От лабораторных волокон к реальным тканям

В испытаниях оптимизированные волокна аккумулировали тепло на уровне более громоздких материалов с фазовым переходом, оставаясь при этом очень растягиваемыми и прочными — они могли удлиняться более чем в пятнадцать раз от исходной длины до разрыва. Их теплопроводность выросла в несколько раз по сравнению с аналогичными волокнами без нанотрубок, поэтому они могли быстро поглощать и отдавать тепло. При ткаче и шитье стандартными текстильными машинами эти волокна давали ткани, которые можно было резать и простёгивать с почти нулевым повреждением. Под имитацией солнечного света ткани с нанотрубками эффективно нагревались, а затем медленно отдавали накопленное тепло благодаря внутреннему процессу плавления. В опытных жилетах, надетых на улице в солнечный день, такие фазопереходные изделия поддерживали поверхность и кожу носителя на несколько градусов холоднее, чем обычная одежда; в жаркой, «печной» внутренней среде они аналогично замедляли накопление тепла рядом с телом.

Что это значит для повседневной жизни

В целом исследование показывает, что возможно спроектировать волокна для одежды, которые ведут себя как маленькие перезаряжаемые тепловые батареи, не жертвуя комфортом, прочностью или пригодностью к производству. Тщательно сочетая воскообразное теплоаккумулирующее ядро, поддерживающий пластиковый каркас и лишь необходимое количество углеродных нанотрубок для управления кристаллизацией и теплопроводностью, команда создала волокна, которые можно производить на оборудовании, уже используемом в текстильной промышленности. Ткани из таких волокон могут пассивно сглаживать перепады температуры вокруг носителя, потенциально уменьшая потребность в энергоёмких системах отопления и охлаждения. В перспективе такие умные текстили могут найти применение не только в повседневной одежде, но и в защитной экипировке для рабочих и спасателей, уличных укрытиях и даже в медицине, где требуется мягкое, контролируемое согревание или охлаждение.

Цитирование: 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

Ключевые слова: умные текстили, материалы с фазовым переходом, персональная терморегуляция, волокна из углеродных нанотрубок, энергоэффективная одежда