工程師們利用Comet超級計算機開發(fā)出一種塑料織物來冷卻皮膚

斯坦福大學的研究人員在加州大學圣地亞哥分校超級計算機的彗星超級計算機的幫助下，設計了一種低成本的塑料材料，這種材料可能成為服裝的基礎，使穿著者冷卻，從而減少對耗能空調的需求。

研究人員描述了他們在科學促進會（AAAS）雜志《科學》（Science）上的工作，他們認為，這一新的織物家族可以成為在沒有空調的炎熱氣候下保持人們涼爽的服裝的基礎。

斯坦福大學材料科學與工程系副教授、SLAC加速器實驗室光子科學系副教授、這項研究的首席研究員易翠說：“如果你能為這個人降溫，而不是讓他們工作或居住的建筑降溫，這將節(jié)省能源。”

這種新材料的工作原理是允許身體以兩種方式排出熱量，使穿著者感覺比穿棉質衣服的人冷近4華氏度。

材料通過讓汗水通過材料蒸發(fā)冷卻，這是普通織物已經做到的。但斯坦福材料提供了第二種革命性的冷卻機制：允許人體發(fā)射的熱量作為紅外輻射通過塑料紡織品。

所有物體，包括我們的身體，都以紅外輻射的形式散發(fā)熱量，這是一種看不見的、良性的光波長。毯子通過在靠近身體的地方捕捉紅外線的熱量來溫暖我們。這種從我們身體中逸出的熱輻射正是我們通過夜視鏡在黑暗中看到的東西。

“坐在辦公室時，我們體內40%到60%的熱量都會以紅外輻射的形式消散?！边@項研究的合著者、專門研究光子學的電氣工程教授范善輝說，這就是可見光和看不見光的研究。“但到目前為止，關于紡織品熱輻射特性設計的研究很少或根本沒有?！?/p>

超級電力Kitchen Wrap

這項研究融合了計算機模擬、納米技術、光子學和化學技術，以提供聚乙烯-我們用作廚房包裝的透明、粘性塑料-服裝材料中需要的一些特性：它允許熱輻射、空氣和水蒸氣通過，并且對可見光不透明。

最簡單的屬性是允許紅外輻射通過材料，因為這是普通聚乙烯食品包裝的一個特點。當然，廚房的塑料是不透水的，也是透明的，使它與衣服一樣無用。

斯坦福大學的研究人員一次解決了這些缺陷。作為第一步，他們創(chuàng)建了捕捉納米多孔聚乙烯光學特性的計算機模型。在斯坦福大學的一個本地計算機集群上進行了模擬，此外還有SDSC的petascale彗星超級計算機和奧斯汀德州德克薩斯大學高級計算中心的Stampede。由此產生的模型涵蓋了從可見光到紅外的寬光波長范圍。

“通過對各種參數(shù)的調整，我們能夠識別出一個孔徑范圍，一個納米孔，最適合紡織品的用途，一個高度不透明的明顯，同時在熱波長范圍內高度透明，”范說。

他補充說：“解決電磁波在大型三維結構中傳播的計算要求很高，只能在高性能計算機上進行?！薄耙蝗痪鸵ㄌ鄷r間了。彗星集群中的大共享內存對我們正在使用的代碼非常有益?！?/p>

以他們的計算機模型為指導，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種通常用于電池制造的聚乙烯的變體，它具有一種對可見光不透明的特定納米結構，但對紅外輻射是透明的，這可能會讓身體熱量逸出。這提供了一種對可見光不透明的基礎材料，目的是為了適度，但為了能源效率的目的，它是熱透明的。

然后，他們用良性化學物質對工業(yè)聚乙烯進行改性，使水蒸氣分子通過塑料中的納米孔蒸發(fā)，博士后學者和團隊成員Po-ChunHsu說，允許塑料像天然纖維一樣呼吸。

更多的顏色，更多的質地，更多的布料

這一成功給了研究人員一種單一的材料，滿足了他們對冷卻織物的三個基本標準。為了使這種薄的材料更像織物，他們創(chuàng)造了一個三層版本：兩張經過處理的聚乙烯，用棉網(wǎng)隔開，以保證強度和厚度。

為了測試它們的三層結構與可比厚度的棉織物的冷卻潛力，他們將每種材料的小樣本放置在一個像裸露皮膚一樣溫暖的表面上，并測量每種材料被捕獲的熱量。

范說：“穿任何衣服都能吸收熱量，使皮膚更溫暖?！叭绻覀冎魂P心散熱輻射，那么最好是什么都不穿?！?/p>

比較表明，棉織物使皮膚表面3.6F比冷卻織物溫暖。研究人員說，這種差異意味著一個穿著新衣服的人可能不太喜歡打開風扇或空調。

研究人員正在幾個方面繼續(xù)他們的工作，包括在他們的材料中添加更多的顏色、紋理和布狀特征。對已經批量生產的電池材料進行改造，可以更容易地創(chuàng)造出產品。

斯坦福大學博士后研究助理亞歷克斯·松（Alex Song）說：“我們完全期望高性能計算機在我們下一次涉及更大規(guī)模和更復雜結構的模擬中發(fā)揮關鍵作用，”他對這些光纖結構進行了電磁模擬。