NATURALEZA

La tela nueva te enfría cuando tienes calor, te calienta cuando tienes frío

Imagina que la misma chaqueta que te calienta en los días fríos también te refresca en los calurosos. Las telas con propiedades de «cambio de fase» pueden hacer eso. Y un equipo de investigación de China ahora muestra que las técnicas de impresión 3D pueden producir una tela de cambio de fase fuerte, una que esconde algunos trucos más bajo la manga.

Este nuevo tejido no solo ayuda a regular la temperatura, sino que también conduce la electricidad. Incluso resiste las ondas de radio utilizadas en Wi-Fi.

una imagen de la lectura de la portada de un cómic
Metamorpho era un héroe de cómic de la década de 1960 cuyo superpoder estaba cambiando el estado de la materia, como un material de cambio de fase.Graham Nolan/Grand Comics Database™/(CC BY-SA 4.0)

“La combinación de esas propiedades es muy intrigante”, dice Sergio Granados-Focil. No participó en el desarrollo de la tela. Pero este químico de polímeros de la Universidad de Clark en Worcester, Massachusetts, está familiarizado con los materiales de cambio de fase.

Para comprender las propiedades de cambio de fase de la tela, considere Metamorpho de DC Comics. Este superhéroe podría, ¡puf! — de repente cambia la fase de su cuerpo sólido a gas. O, cuando lo necesitara, convertirse en líquido.

Metamorpho es ficción. Pero el cambio de fase es muy real. El agua pasa por un cambio de fase cuando se congela o se evapora. En cada caso, es la misma molécula, solo que en diferentes fases químicas. La eliminación o adición de calor desencadena el cambio entre fases. Imagina cubitos de hielo derritiéndose en un vaso de agua. El hielo absorbe el calor del agua. Eso calienta el hielo, pero enfría el agua.

La tela de cambio de fase también funciona moviendo el calor. El equipo chino atrapó un polímero que cambia de fase dentro de la tela. Cambia entre una forma cristalina y una no cristalina. Convertirse en un cristal absorbe, o elimina, el calor corporal. Eso te refrescará. Pero este calor no se ha ido. La tela lo almacena. Y el polímero liberará ese calor cuando vuelva a convertirse en un no cristal. Esto ahora te calienta.

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El nuevo tejido contiene una mezcla novedosa de ingredientes. Al desarrollarlo, dice Yongyi Zhang, «por primera vez demostramos una estrategia de impresión 3D escalable y controlable». Zhang estudia nanotecnología en la Academia de Ciencias de China en Suzhou.

Su equipo describió su innovador tejido en el 31 de enero Interfaces y materiales aplicados de ACS.

una imagen compuesta de cuatro fotografías que muestran una mano enguantada de negro sosteniendo un trozo de tela negra que toma diferentes formas;  doblado por la mitad, enrollado en un cilindro, doblado a lo largo de un eje diferente y doblado en un avión de papel
Este tejido de cambio de fase impreso en 3D se dobló, arrugó y estiró. Sin embargo, incluso después de haber sido doblado 2000 veces, conservó sus propiedades únicas.Reimpreso (adaptado) con permiso de: Z. Yang et al. Tejidos no tejidos flexibles con cambio de fase impresos en 3D hacia ropa multifuncional. Interfaces y materiales aplicados de ACS. 4 (5), 7283-7291, 2022. Copyright 2022 American Chemical Society

La forma es clave para la magia del polímero

El polímero de la nueva tela cambiará su forma a diferentes temperaturas. Esa es la parte del cambio de fase. En la fase no cristalina, «las cadenas de polímeros pueden moverse entre sí», señala Emily Pentzer, que no participó en el nuevo trabajo. Este polímero se vuelve a cristalizar a medida que se enfría, explica el científico de polímeros. Pentzer trabaja en la Universidad Texas A&M en College Station.

un diagrama del polímero PEG y cómo cambia de formas cristalinas a formas no cristalinas
El polímero PEG (abreviatura de polietilenglicol) se utilizó para fabricar el nuevo tejido de cambio de fase. Esta ilustración muestra cómo cambia la forma de PEG cuando la fase cambia de no cristalina (izquierda) a cristalina (derecha).Reimpreso (adaptado) con permiso de: Z. Yang et al. Tejidos no tejidos flexibles con cambio de fase impresos en 3D hacia ropa multifuncional. Interfaces y materiales aplicados de ACS. 4 (5), 7283-7291, 2022. Copyright 2022 American Chemical Society

El equipo chino imprimió su tela en 3D usando una “tinta” hecha de una mezcla del nuevo polímero y nanotubos de carbono. Como su nombre lo indica, cada uno de esos tubos tenía solo unas mil millonésimas de metro de largo. La difracción de rayos X, una herramienta de imagen que revela la disposición de las moléculas individuales, muestra que los polímeros cambian de su desordenada fase no cristalina a temperaturas cálidas a una fase cristalina ordenada cuando están más frías. Estos cambios de fase ocurren entre 40º y 55º Celsius (104º y 131º Fahrenheit). Cambiar la receta química del polímero podría permitirle cambiar de fase a diferentes temperaturas.

La nueva tela funcionó bien, dice Zhang, mejor de lo que esperaba su equipo. Incluso después de haber sido doblado 2000 veces, funcionó como fue diseñado para hacerlo.

Pero Granados-Focil de la Universidad de Clark señala que el equipo nunca hizo una comparación lado a lado de la durabilidad de la tela con y sin su componente de cambio de fase. Le gustaría ver tal comparación.

¿Por qué añadir nanotubos de carbono?

El equipo chino agregó nanotubos a la tela para ayudarla a conducir la electricidad. Los nanotubos también aceleran la capacidad de la tela para mover el calor, explica Zhang. Un beneficio adicional, señala: los pequeños tubos agregan «resistencia a la radiación».

Aquí, explica Granados-Focil, “Están hablando de ondas de radio… conexiones Wi-Fi, ese tipo de radiación”. Si se usa para encapsular un teléfono inteligente, dice, otros «no pueden acceder a la información». Pero ese rasgo también lo confunde. Teniendo en cuenta la conductividad eléctrica de la tela, se pregunta: «¿En qué escenario necesitarías combinar esos dos?»

“Pero ser capaz de absorber toda esa radiación y no parecer más caliente o más frío que el entorno que te rodea”, señala, “eso podría darte cierta propiedad de camuflaje”. Este atributo podría agregar atractivo para aplicaciones militares o de defensa.

Byron Jones cree que los diseñadores de moda ordinarios tendrían poca necesidad o interés en tales aplicaciones. Jones, ingeniero mecánico, trabaja en la Universidad Estatal de Kansas en Manhattan. Pero hace años, trabajó con empresas que realmente intentaron desarrollar telas de cambio de fase para el uso diario. «Mi opinión personal», dice, «es que los materiales de cambio de fase en la ropa de todos los días tienen más que ver con la exageración del marketing que con el impacto útil».

Aquí está el problema, dice Jones. Tu chaqueta de cambio de fase absorbe el calor cuando te calientas y luego lo libera cuando te refrescas. Esperas que te mantenga cómodo. Pero no puede absorber todo tu calor. Aún así, absorber incluso el 10 por ciento debería mantenerlo modestamente cómodo. Y si camina durante unos 10 minutos con esa chaqueta, el 10 por ciento del calor que emite durante ese tiempo sería de unos 72.000 julios. (El julio es una unidad de energía). A modo de comparación, una bombilla normal emite alrededor de 60 julios por segundo.

una imagen infrarroja de una persona que lleva una chaqueta forrada con el nuevo material
Esta imagen infrarroja muestra a un voluntario con una chaqueta forrada con la tela de cambio de fase. Los colores más claros indican áreas más cálidas. Los colores más oscuros son más fríos.Reimpreso (adaptado) con permiso de: Z. Yang et al. Tejidos no tejidos flexibles con cambio de fase impresos en 3D hacia ropa multifuncional. Interfaces y materiales aplicados de ACS. 4 (5), 7283-7291, 2022. Copyright 2022 American Chemical Society

Según los datos del equipo, cada gramo de su tejido absorbe 65 julios. No 65 julios por segundo. Son 65 julios una vez, durante el cambio de fase. Posteriormente, el polímero deja de almacenar calor. Entonces, para absorber 72,000 julios, explica Jones, su chaqueta debe tener 1,100 gramos, o 2.4 libras, de la tela de cambio de fase. Y eso es como llevar dos latas y media de sopa condensada. Concluye: «No importa cómo lo exageres, no puedes sortear esta física». Entonces podría funcionar para una chaqueta, pero difícilmente para una camiseta.

Sin embargo, Jones ve algunos usos posibles. Puede resultar útil en una situación en la que solo necesita «unos minutos» de capacidad de calefacción o refrigeración. “Luego regresas a un entorno donde el material de cambio de fase se recarga”, regresa a su estado de absorción de calor o de disipación de calor.

Granados-Focil está de acuerdo. “Este negocio de la conductividad eléctrica es interesante”, dice. Por ejemplo, en guantes, debería significar que puede operar pantallas táctiles. Y puede que te permita tocar algo realmente caliente o frío durante 30 segundos, sin necesidad de guantes gruesos.

Esta tecnología “no va a cambiar todos nuestros suéteres mañana”, concluye Granados-Focil. Pero para aplicaciones de tipo nicho, dice que “podría ser interesante”.

Esta es una de una serie que presenta noticias sobre tecnología e innovación, posible gracias al generoso apoyo de la Fundación Lemelson.

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