浙江大学の「ホッキョクグマセーター」がサイエンス誌に掲載、ダウンジャケットの5倍の断熱効果

最近は寒波が次々と襲来し、ダウンジャケットは冬を過ごすための必需品となっています。

浙江大学は、暖かいだけでなく、ダウンジャケットよりも軽くて耐久性に優れた新素材を開発した。この論文はサイエンス誌に掲載された。

ホッキョクグマの毛の構造を模倣し、厚さ5分の1でダウンと同じ暖かさを実現。

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この「ホッキョクグマの毛素材」はEAFと呼ばれ、浙江大学化学工学・生物工学学院の白昊教授の研究チームによって開発された。

優れた断熱性に加え、伸び率も1600%と、製織のニーズに十分応えます。

さらに、繰り返し伸ばしたり洗濯したりしても、本来の断熱性を維持できます。

では、EAFの保温効果はどのくらい強いのでしょうか？

暖かくて丈夫

まず、研究者らは、セーターに加工される前のEAFの断熱性能をテストし、ナイロン、ポリエステル（PET）、ウールという3つの一般的な素材と比較しました。

研究者らは、4つの材料を40℃の一定温度に保たれた熱いテーブルの上に置き、材料の外表面の温度が安定した後、赤外線カメラを使用して温度を測定した。

測定された外表面温度が低いほど、つまりホットステージとの温度差が大きいほど、材料がホットステージから吸収する熱が少なくなり、断熱性が高くなります。

結果、EAF の温度差は 8°C に達し、その断熱性能は他の 3 つの材料を上回っていることが示されました。

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さらに計算した結果、EAF材料の熱伝導率はわずか26.9±1.8mW/(m·K)であり、ナイロンの91.2±1.6、ポリエステルの98.3±1.9、ウールの38.9±1.1よりもはるかに低く、断熱効果が優れていることがわかりました。

研究者らはその後、EAFとダウンを比較し、両者の断熱効果は同様であるが、EAFの厚さはダウンのわずか1/5であることを発見した。

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研究者らは、この素材を衣服に織り込んだ後、被験者に「ホッキョクグマセーター」、ダウンジャケット、ウールセーター、EAFで作られた綿セーターをマイナス20℃の環境で着用してもらい、外表面温度を測定した。

外表面温度が低いほど、内部（対象者の体表面）から放散される熱が少なくなり、より多くの熱が内部に「閉じ込められる」ことになります。

その結果、「シロクマセーター」の表面温度は3.5℃で、その保温性能はウールセーターや綿セーターを大幅に上回り、ダウンジャケットをわずかに上回る（ただし前者は薄手）ことが分かりました。

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EAF 材料は、優れた断熱性能に加えて、他の面でも優れた性能を発揮します。

例えば、上図の右端の結果は、EAF を水で洗浄した後のテストであり、水洗浄によって断熱性能が低下しないことが示されており、水洗浄に対する耐性が優れていることを示しています。

EAF の引張強度は、シェルの厚さが 140 ミクロンの EAF 材料が 16 倍の伸びと最大 12.7 MPa の引張強度に耐えられることを意味します。

これは、1平方メートルの電炉材に1トン以上の重量を吊り下げても壊れないのと同等です。コンクリートの引張強度はわずか2～5MPaです。

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そして、この伸張によって断熱性能が損なわれることはありません。研究者らは、EAF 素材を 10 倍の長さまで繰り返し伸張させ、それを 10,000 回繰り返した後でも温度に大きな変化はありませんでした。

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さらに、EAF 素材は染色しやすく、織りやすく、着心地が良いなどの利点があり、衣料品の素材として非常に適しています。

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これらの素晴らしいパフォーマンスの背後には、「Polar Bear」の功績が認められるべきだ。

ホッキョクグマにインスピレーションを受けて

ホッキョクグマは氷と雪の環境で長期間生き延びることができるが、それは彼らの体の毛と切り離せないものであるに違いない。

これに触発されて、研究者たちはホッキョクグマの毛を分析し、実際にその特殊な構造を発見した。

研究者らはホッキョクグマの毛の電子顕微鏡写真を観察した結果、外側は緻密な殻で覆われ、内側はゆるく多孔質な構造の2層構造になっていることを発見した。

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さらに調査を進めると、2 つの部分にそれぞれ独自の機能があることがわかります。外殻は機械的特性を確保する役割を担い、内核は断熱という主な機能を果たします。外殻は内核を保護する役割も担っています。

この考えに基づいて、研究者らは電気炉の外殻とコアを別々に設計し、断熱機能と機械機能を分離し、機能間の制約を回避しました。

EAF のコアは、伝導、対流、熱放射の 3 次元からの熱損失を遮断できる多数のサブミクロンの細孔を含むポリマーエアロゲルです。外殻には既存の熱可塑性ポリウレタンゴム (TPU) 素材が使用されています。

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調製工程では、まずキトサンを1%氷酢酸水溶液に、酢酸溶液100mLあたりキトサン3.7gの割合で溶解した。

次に、キトサン溶液が金属リング穴に注入され、リング穴の冷却ゾーンで氷脂肪材料に固化され、モーターによって凍結融解繊維に引き込まれ、EAF のコアが得られます。

次に、コア材料を TPU 溶液で包みます。TPU は、溶媒 100 mL あたり TPU 15 g の割合で N,N-ジメチルホルムアミド (DMF) に溶解されます。

ラッピングが完了した後、一定温度の熱風システムを通じて約 80 ℃の温度で溶剤が蒸発し、外殻の TPU 層が固体状態に戻り、EAF のコアシェル構造が完成します。

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複合繊維を凍結乾燥して水分を完全に除去し、EAFの準備が完了します。

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この「シロクマセーター」を着るのが楽しみですか？

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013