ラクダの毛皮からインスピレーションを得たこの新技術が超クールな理由

動物の汗腺を模倣し、毛皮の冷気を断熱する二層素材により、従来の方法よりも表面が 400% 長くなります。

スパイダー・ウェッツェル

日刊特派員

ラクダが砂漠で生きていくためには、汗と毛皮の両方が必要です。 マサチューセッツ工科大学のエンジニア、ジェフリー・グロスマン氏によると、こう述べている。 「毛皮がなかったら、すぐに汗をかきすぎて、ラクダにとって非常に貴重な資源である水が不足してしまうでしょう」とグロスマン氏は言う。 エンジニアは、2 つの素材を重ねて、ラクダの汗腺と断熱毛皮を模倣できないかと考えました。 本日ジュール誌に掲載された新しい研究で、グロスマン氏は、追加のエネルギーを必要とせずに食品や医薬品を冷却するために使用できる新しい革新的な技術について詳しく説明しています。

ラクダにインスピレーションを得たシステムの最下層には、グロスマン氏は、水をたっぷりと含ませた吸収性の高いポリマーのネットワークであるヒドロゲルを使用しました。 ハイドロゲルから水が蒸発すると、液体はその上の表面を冷却します。 グロスマン氏が作成した最上層はエアロゲルで構成されており、エアロゲルは小さな細孔が詰まった疎水性シリカ構造で、材料の 90% 以上が空気となっており、この物質は「世界で最も軽い固体」の称号を得ています。 エアロゲルはラクダの毛皮のように機能し、ヒドロゲルを暖かい周囲温度から断熱し、水の蒸発を遅らせて冷却力を持続させます。

グロスマンは、水がそこを通って蒸発できるように、ヒドロゲルの上の層は絶縁性と多孔性の両方でなければならないことを知っていました。 断熱層が薄すぎると、ヒドロゲルを周囲の熱から断熱できなくなる「ラクダの丸刈り」のようなものだとグロスマン氏は言う。 エアロゲル層が厚すぎるか多孔質でない場合、ヒドロゲルの水は蒸発できず、この技術は冷却力を失います。 「エアロゲルを適切な方法で設計することで、基本的に水の急速な蒸発は防ぐことができますが、完全には蒸発しません」とグロスマン氏は言う。 蒸発を遅らせることで、「一滴の水からより多くのものが得られる」のです。

2 層アプローチがどのように機能するかを測定するために、グロスマン氏と彼のチームは層の下に熱センサーを配置し、システムを湿度と温度が制御されたチャンバー内に置きました。 華氏 86 度のチャンバー内で液体が蒸発するにつれて、センサーはヒドロゲルの下の温度を経時的に監視しました。 研究チームは、ラクダにインスピレーションを得たこの作品を、覆われていないハイドロゲルの単一層と比較しました。 2 層システムはヒドロゲル単独の温度近くまで温度を下げましたが、二重層はその冷却力をはるかに長く維持しました。 グロスマン氏は、層状の材料により冷却時間が 400% 延長されることを発見しました。

「同じ冷却能力にこれほど近づけて、ここまで到達できるとは思いませんでした」とグロスマン氏は、冷却期間の延長についてこう語ります。 「これは研究で得られたもので、とてもうまくいくので本当に嬉しいものです。」 科学者たちはこれまでに表面を冷却するためにヒドロゲルを使用したことがある、とグロスマン氏は言う。「しかし、まだ行われていないのは、非常に特殊な用途を持つ別の素材をその上に追加することだ。」

ヒドロゲルとエアロゲルは新しいものではありませんが、この方法でそれらを組み合わせるのは新しいことだと、この研究には関与していないノースウェスタン大学のエンジニア、キョーチョル・ケネス・パーク氏は言います。 「私自身、2 つの素材をこのように組み合わせるということは考えたこともありませんでした。だからこそ、この論文を見てとても興奮しています。」 グロスマンと同様に、パーク氏は研究のインスピレーションを植物や動物に求めています。 この作品は半透明であるため、パーク氏は窓などの表面の断熱に使用できるのではないかと楽観的です。

グロスマン氏は、この技術は受動的冷却を必要とする多くの領域に適用できる、つまりプロセスに電力を供給する外部エネルギーが不要になると考えています。 考えられる用途には、食品保管庫、医療用品、建物の断熱などが含まれます。

アクロン大学の工学教授で元NASAの科学者で、この研究には関与していないメアリー・アン・ミードール氏は、この種の技術を導入する際の障壁の1つは、ヒドロゲルを湿った状態に保つ必要があることだと語る。 ヒドロゲルは水から力を得ているため、水が蒸発すると、材料はそれが置かれている表面を冷やさなくなります。 ラクダは汗をかくだけで皮膚の水分を補充できますが、効果を発揮するには、ジェルを定期的に水分で補充する必要があり、グロスマン氏と彼のチームはこの問題の解決に取り組んでいます。 たとえば、このタイプの 2 層システムが雨水や結露によって復活できれば、その冷却能力は無限になる可能性があります。

エアロゲルの製造に使用される複雑なプロセスは、現在市場にある他の形式の断熱材よりも高価であることを意味しており、1立方センチメートル当たり1ドルであるが、製造技術により将来的にはコストが削減できるとグロスマン氏は楽観視している。 ハイドロゲルはふにゃふにゃで柔軟ですが、従来のシリカエアロゲルは硬くて壊れやすいものです。 Meadorらは柔軟なエアロゲルを開発しているが、材料は簡単に崩れてしまうため、この堅固な最上層は衣料品や建築断熱材などの製品にこの技術を導入する際に別のハードルとなる。

次に、グロスマン氏はエアロゲルの上に、システムを「オン」と「オフ」にするスイッチとして機能する 3 番目の層を作成することに取り組んでいます。 特定の温度では、3 番目の層は蒸発を許可しますが、冷却が必要ない低温ではスイッチが閉じ、不必要な水の損失を防ぎます。

おそらく、これまで誰もヒドロゲルとエアロゲルを組み合わせることを考えなかった理由の 1 つは、この研究が材料科学の 2 つの異なる分野を組み合わせているからだとパーク氏は言います。

「時には、はるかに異なる素材やシステムを接続するために、乗り越えなければならないある種の精神的または物理的な障壁があることがあります。しかし、これらの作家は実際に、自然からインスピレーションを得ることによってその障壁を克服することができました」とパーク氏は言います。 「それが生物からインスピレーションを得た研究の素晴らしさだと思います。」

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コリン・ウェッツェル | | 続きを読む

コリン・ウェッツェルは、ブルックリンを拠点とするフリーランスの科学ジャーナリストです。 彼女の作品はオーデュボン誌、ナショナル ジオグラフィック誌などにも掲載されています。