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工程师们利用Comet超级计算机开发出一种塑料织物来冷却皮肤

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  • 2020-01-12 11:58:02

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斯坦福大学的研究人员在加州大学圣地亚哥分校超级计算机的彗星超级计算机的帮助下,澳门AG真人赌场APP在线:设计了一种低成本的塑料材料,这种材料可能成为服装的基础,使穿着者冷却,从而减少对耗能空调的需求。

研究人员描述了他们在美国科学促进会(AAAS)杂志《科学》(Science)上的工作,他们认为,这一新的织物家族可以成为在没有空调的炎热气候下保持人们凉爽的服装的基础。

斯坦福大学材料科学与工程系副教授、SLAC国家加速器实验室光子科学系副教授、这项研究的首席研究员易翠说:“如果你能为这个人降温,而不是让他们工作或居住的建筑降温,这将节省能源。”

这种新材料的工作原理是允许身体以两种方式排出热量,使穿着者感觉比穿棉质衣服的人冷近4华氏度。

材料通过让汗水通过材料蒸发冷却,这是普通织物已经做到的。但斯坦福材料提供了第二种革命性的冷却机制:允许人体发射的热量作为红外辐射通过塑料纺织品。

所有物体,包括我们的身体,都以红外辐射的形式散发热量,这是一种看不见的、良性的光波长。毯子通过在靠近身体的地方捕捉红外线的热量来温暖我们。这种从我们身体中逸出的热辐射正是我们通过夜视镜在黑暗中看到的东西。

“坐在办公室时,我们体内40%到60%的热量都会以红外辐射的形式消散。”这项研究的合著者、专门研究光子学的电气工程教授范善辉说,这就是可见光和看不见光的研究。“但到目前为止,关于纺织品热辐射特性设计的研究很少或根本没有。”

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这项研究融合了计算机模拟、纳米技术、光子学和化学技术,以提供聚乙烯-我们用作厨房包装的透明、粘性塑料-服装材料中需要的一些特性:它允许热辐射、空气和水蒸气通过,并且对可见光不透明。

最简单的属性是允许红外辐射通过材料,因为这是普通聚乙烯食品包装的一个特点。当然,厨房的塑料是不透水的,也是透明的,使它与衣服一样无用。

斯坦福大学的研究人员一次解决了这些缺陷。作为第一步,他们创建了捕捉纳米多孔聚乙烯光学特性的计算机模型。在斯坦福大学的一个本地计算机集群上进行了模拟,此外还有SDSC的petascale彗星超级计算机和奥斯汀德州德克萨斯大学高级计算中心的Stampede。由此产生的模型涵盖了从可见光到红外的宽光波长范围。

“通过对各种参数的调整,我们能够识别出一个孔径范围,一个纳米孔,最适合纺织品的用途,一个高度不透明的明显,同时在热波长范围内高度透明,”范说。

他补充说:“解决电磁波在大型三维结构中传播的计算要求很高,只能在高性能计算机上进行。”“要不然就要花太多时间了。彗星集群中的大共享内存对我们正在使用的代码非常有益。”

以他们的计算机模型为指导,研究人员发现了一种通常用于电池制造的聚乙烯的变体,它具有一种对可见光不透明的特定纳米结构,但对红外辐射是透明的,这可能会让身体热量逸出。这提供了一种对可见光不透明的基础材料,目的是为了适度,但为了能源效率的目的,它是热透明的。

然后,他们用良性化学物质对工业聚乙烯进行改性,使水蒸气分子通过塑料中的纳米孔蒸发,博士后学者和团队成员Po-ChunHsu说,允许塑料像天然纤维一样呼吸。

更多的颜色,更多的质地,更多的布料

这一成功给了研究人员一种单一的材料,满足了他们对冷却织物的三个基本标准。为了使这种薄的材料更像织物,他们创造了一个三层版本:两张经过处理的聚乙烯,用棉网隔开,以保证强度和厚度。

为了测试它们的三层结构与可比厚度的棉织物的冷却潜力,他们将每种材料的小样本放置在一个像裸露皮肤一样温暖的表面上,并测量每种材料被捕获的热量。

范说:“穿任何衣服都能吸收热量,使皮肤更温暖。“如果我们只关心散热辐射,那么最好是什么都不穿。”

比较表明,棉织物使皮肤表面3.6F比冷却织物温暖。研究人员说,这种差异意味着一个穿着新衣服的人可能不太喜欢打开风扇或空调。

研究人员正在几个方面继续他们的工作,包括在他们的材料中添加更多的颜色、纹理和布状特征。对已经批量生产的电池材料进行改造,可以更容易地创造出产品。

斯坦福大学博士后研究助理亚历克斯·松(Alex Song)说:“我们完全期望高性能计算机在我们下一次涉及更大规模和更复杂结构的模拟中发挥关键作用,”他对这些光纤结构进行了电磁模拟。


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