In der sengenden Hitze des Sommers könnte jeder, der Zeit im Freien verbringt – Sportler, Landschaftsgärtner, Kinder im Park oder Strandbesucher – von einem kühlenden Stoff profitieren. Zwar gibt es einige Textilien, die die Sonnenstrahlen reflektieren oder Wärme vom Körper wegleiten, aber die aktuellen Optionen erfordern spezielle Fasern oder komplexe Herstellungsverfahren. Doch jetzt berichten Forscher von einer haltbaren Beschichtung auf Kreidebasis, die die Luft unter dem behandelten Stoff um bis zu 8 Grad Fahrenheit kühlt.
Evan D. Patamia, ein Doktorand der University of Massachusetts Amherst, wird die Ergebnisse seines Teams auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. ACS Herbst 2024 ist ein Hybridtreffen, das vom 18. bis 22. August virtuell und persönlich stattfindet; es umfasst etwa 10.000 Präsentationen zu einer Reihe von wissenschaftlichen Themen.
„Wenn Sie ins Sonnenlicht gehen, wird Ihnen immer heißer, weil Ihr Körper und Ihre Kleidung ultraviolettes (UV) und nahinfrarotes (nahes IR) Licht der Sonne absorbieren“, sagt Trisha L. Andrew, eine Chemikerin und Materialwissenschaftlerin, die bei Patamia arbeitet. „Und solange Sie leben, erzeugt Ihr Körper Wärme, die man sich auch als Licht vorstellen kann.“
Um den Menschen im Freien mehr Komfort zu bieten, entwickeln Wissenschaftler Textilien, die gleichzeitig die Sonnenstrahlen ablenken und die natürliche Körperwärme nach außen abgeben – ein Prozess, der als Strahlungskühlung bekannt ist. Einige dieser Materialien enthalten lichtbrechende synthetische Partikel wie Titandioxid oder Aluminiumoxid, die in gesponnene Fasern eingebettet sind. Andere verwenden organische Polymere wie Polyvinylidendifluorid, die in ihren Produktionsprozessen Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen, bekannt als PFAS oder Forever Chemicals, erfordern, um lichtreflektierende Textilien herzustellen.
Doch die Produktion dieser Materialien in großem Maßstab für die Kommerzialisierung ist laut Andrew nicht nachhaltig. Daher stellte sie den Forschungsteammitgliedern Patamia und Megan K. Yee die Frage: „Können wir eine Textilbeschichtung entwickeln, die mit natürlichen oder umweltfreundlichen Materialien dasselbe leistet?“
Zuvor hatten Andrew und seine Kollegen eine einfache Technik entwickelt, um haltbare Polymerbeschichtungen auf Textilien aufzutragen: die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Bei dieser Methode werden Synthese und Abscheidung in einem Schritt kombiniert: Das Aufbringen einer dünnen Polymerschicht auf handelsübliche Textilien erfordert weniger Schritte und hat weniger Auswirkungen auf die Umwelt als andere Methoden zum Anbringen von Beschichtungen.
Inspiriert von den Putzen auf Basis von zerkleinertem Kalkstein, die früher verwendet wurden, um Häuser an extrem sonnigen Orten kühl zu halten, arbeiteten Patamia und Yee an einem innovativen Verfahren zur Integration von Calciumcarbonat – dem Hauptbestandteil von Kalkstein und Kreide – sowie biokompatiblem Bariumsulfat in das durch CVD aufgebrachte Polymer. Kleine Calciumcarbonatpartikel reflektieren gut sichtbare und nahe Infrarotwellenlängen, und Bariumsulfatpartikel reflektieren UV-Licht.
Die Forscher behandelten kleine Stoffquadrate, trugen eine 5 Mikrometer dicke Schicht aus Poly(2-hydroxyethylacrylat) auf und tauchten die mit dem Polymer behandelten Quadrate wiederholt in Lösungen mit Calcium- oder Bariumionen bzw. in Lösungen mit Carbonat- oder Sulfationen.
Mit jedem Eintauchen werden die Kristalle größer und gleichmäßiger, und der Stoff entwickelt eine kreideartige, matte Oberfläche. Patamia sagt, dass durch die Anzahl der Eintauchzyklen die Partikel so eingestellt werden können, dass sie die ideale Größenverteilung (zwischen 1 und 10 Mikrometer Durchmesser) erreichen, um sowohl UV- als auch Nahinfrarotlicht zu reflektieren.
Die Forscher testeten die Kühlfähigkeit behandelter und unbehandelter Stoffe im Freien an einem sonnigen Tag, als die Temperatur über 90 °F betrug. Sie beobachteten, dass die Lufttemperatur unter dem behandelten Stoff 8 °F kühler war als die Umgebungstemperatur am Nachmittag. Der Unterschied zwischen behandeltem und unbehandeltem Stoff war sogar noch größer, nämlich maximal 15 °F, was die Luft unter der Probe erwärmte.
„Wir sehen einen echten Kühleffekt“, sagt Patamia. „Was sich unter der Probe befindet, fühlt sich kälter an, als wenn man im Schatten steht.“
Zur abschließenden Bewertung der Mineral-Polymer-Beschichtung simulierte Yee die Reibung und den Aufprall von Waschmittel in einer Waschmaschine. Sie stellte fest, dass die Beschichtung nicht abgerieben wurde und das Material seine Kühlfähigkeit behielt.
„Bisher waren wir bei unseren Verfahren durch die Größe unserer Laborausrüstung eingeschränkt“, sagt Andrew. Aber sie ist Teil eines Startup-Unternehmens, das das CVD-Verfahren für Stoffrollen skaliert, die etwa 1,5 Meter breit und 90 Meter lang sind. Andrew erklärt, dass dieses Vorhaben eine Möglichkeit bieten könnte, die Innovationen von Patamia und Yee in die Pilotproduktion zu übertragen.
„Was unsere Technik so einzigartig macht, ist, dass wir sie mit nahezu jedem handelsüblichen Stoff machen und ihn in etwas verwandeln können, das Menschen kühl hält“, schließt Patamia. „Ohne jegliche Energiezufuhr können wir das Hitzegefühl einer Person reduzieren, was eine wertvolle Ressource sein könnte, wenn Menschen in extrem heißen Umgebungen Schwierigkeiten haben, kühl zu bleiben.“