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Materialwissenschaft

Smart-Textil: Schweiß öffnet Lüftungsklappen

Ein Streifen aus dem Nylon-Silbermaterial rollt sich bei Feuchtigkeit auf. (Bild: Po-Chun Hsu, Duke-Universität)

Auf oder zu – je nach Bedarf: Forscher haben ein Material entwickelt, das im trockenen Zustand wärmt, aber wenn eine Person schwitzt, winzige Lüftungsklappen öffnet, damit Wärme und Feuchtigkeit entweichen können. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Effekt ohne zusätzlichen Energiebedarf. Das leichte Verbundmaterial aus Nylon und einer hauchdünnen Silberschicht könnte somit das Wohlbefinden des Trägers in bestimmten Anwendungsbereichen automatisch regulieren. Es ließe sich dazu etwa in der Form eines integrierten Flickens an bestimmten Stellen von Kleidungsstücken einsetzen, sagen die Entwickler.

Zwischen Kälteschauer und Schweißausbruch liegt bekanntlich nur ein relativ kleiner Temperaturbereich. Deutlich wird dies vor allem, wenn wir in der Kälte unterwegs sind und uns durch Kleidung vor dem Auskühlen schützen müssen: Der isolierende Effekt von Skianzug und Co kann dabei schnell zu einer schweißtreibenden Erwärmung führen, vor allem, wenn man sich stark bewegt. Denn die Anpassungsfähigkeit von Textilien ist begrenzt. Bei solchen Aktivitäten tragen Menschen deshalb oft mehrere Schichten aus Kleidungsstücken, um je nach Bedarf etwas aus- oder wieder anziehen zu können. Dass dieses Prozedere unter Umständen lästig sein kann, gab den Anstoß zur Arbeit des Teams aus Materialforschern von der Duke University in Durham: Sie loten Möglichkeiten aus, die Anpassungsfähigkeit von Kleidungsstücken an die jeweilige Befindlichkeit des Trägers zu verbessern.

Nylon mit einem Hauch von Silber

Im Fokus der Forscher stehen dabei möglichst praktikable und einfache Konzepte, die ohne Technik für mechanische Effekte mit Kühlwirkung sowie Wärmedämmung sorgen können. Zunächst beschäftigten sich die Wissenschaftler bei ihrer Forschung mit einem altbekannt erscheinenden Material der Textilbranche: dem leichten, robusten sowie preiswerten Nylon. Wie die Forscher erklären, war von diesem Polymer-Stoff bereits ein Merkmal bekannt, das ihr Interesse weckte: Wenn Klappen in Nylon-Flächen geschnitten werden, rollen sich diese ein wenig auf, wenn eine Seite Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Reines Nylon besitzt aber einen für das Ziel der Wissenschaftler nachteiligen Aspekt: Es ist nicht besonders wärmend. Um diese Materialeigenschaft zu verbessern, beschichteten sie das Material mit Silber. Da sie damit rechneten, dass das Metall die Nylonlaschen beim Aufrollen ausbremsen würde, versuchten sie, die Schicht so dünn wie möglich zu machen. Dabei zeigte sich allerdings: Die Silberbeschichtung hemmt den Effekt nicht – im Gegenteil: Sie führt dazu, dass sich die Klappen intensiver bewegen. „Es erscheint überraschend und kontraintuitiv, aber wenn man einem Polymer etwas Schweres hinzufügt, kann es sich tatsächlich stärker biegen und öffnen“, sagt Co-Autor Cate Brinson.

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Der zugrundeliegende Effekt erscheint dabei durchaus plausibel: Wie die Wissenschaftler erklären, versucht sich die untere Nylonschicht auszubreiten, wenn sie nass wird – wie ein Blatt, das auseinandergezogen wird. Da sie aber mit der darüber liegenden Silberschicht verbunden ist, kann sich nicht das gesamte Blatt auf diese Weise verformen. Da sich das flächige Material unten ausdehnt und oben nicht, kommt es zu dem starken Einroll-Effekt, erklären die Forscher. Experimente mit verschiedenen Silberstärken ergaben dabei eine optimale Schichtdicke im Bereich von 50 Nanometern – 2000 Mal dünner als ein herkömmliches Blatt Papier. Noch dünner und der Einrolleffekt wird schwächer – bei mehr Silber behindert dann das Gewicht des Metalls wiederum die Bewegung.

Reversible Krümmung mit Lüftungseffekt

Prototyp eines Flickens aus dem Material mit Belüftungsöffnungen, die sich bei Schweißbildung öffnen und beim Trocknen wieder schließen. (Bild: Po-Chun Hsu, Duke-Universität)

Aus diesem Material stellten die Forscher dann einen experimentellen Prototyp her, der in ein Kleidungsstück integriert werden kann. Es handelt sich um einen Flicken von der Größe einer menschlichen Hand mit Lüftungslappen von einigen Millimetern Länge. Bei Trockenheit sind sie geschlossen und bilden eine Fläche, die Wärme zurückzuhalten kann. Bei Feuchtigkeit von innen – wie beim Schwitzen – öffnen sie sich hingegen und sorgen für Lüftung und Kühlung. Untersuchungen bestätigten dabei die gewünschten Effekte: Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kunststoff-Textil, das aus einer Mischung aus Polyester und Elasthan besteht, ist das Material bei geschlossenen Klappen im trockenen Zustand etwa 16 Prozent wärmedämmender. Bei geöffneten Klappen im feuchten Zustand sorgt es hingegen für 14 Prozent mehr Kühlung. Das Nylon-Silber-Hybridmaterial kann die thermische Komfortzone damit deutlich erweitern, resümieren die Entwickler.

Damit zeichnet sich ihnen zufolge Anwendungspotenzial ab: „Zum Schwitzen neigende Körperbereiche könnten gezielt belüftet werden“, sagt Seniorautor Po-Chun Hsu. „Unsere Brust und unser Rücken brauchen etwa Belüftung, aber es kann Aufwand bedeutet, diese Bereiche zu öffnen. Dort könnte ein strategisch positionierter Flicken, der je nach Bedarf Wärme abgibt, hilfreich sein“, so der Materialforscher. Noch steckt das Konzept allerdings in der Entwicklung: Das Team arbeitet nun daran, die Belüftungsöffnungen so klein wie möglich zu machen, ohne ihre Wirksamkeit und Haltbarkeit zu beeinträchtigen. Dabei spielt auch das Aussehen eine Rolle. „Ich gehe davon aus, dass wir diesen Effekt erzielen können, wenn wir die richtige Laserschneidemethode finden, um sehr kleine Klappen zu erzeugen“, so Hsu. „Mit genügend Arbeit könnte diese Art von Material dem, was wir heute tragen, sehr ähnlich sehen“, meint Hsu.

Quelle: Duke University, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abj7906

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