Vestiti termici ultraleggeri e ultrasottili grazie al MXene spray

Una ricerca "vecchia" di un decennio su Mxene [un nanomateriale bidimensionale] ha fatto un salto in avanti, grazie a un team internazionale di ricercatori.

Guidato dalla stessa Drexel University che lo scoprì un decennio fa, il gruppo ha testato le proprietà del materiale con le recenti tecnologie a disposizione, portandone alla luce le qualità di termoregolazione.

La squadra ha infatti verificato che, grazie alla capacità di MXene di regolare il passaggio della radiazione infrarossa ambientale [qui tutti gli studi fatti nel 2011, hanno di scoperta di MXene] il materiale potrebbe portare numerosi progressi nell'abbigliamento termico, negli elementi riscaldanti e in nuovi materiali per il riscaldamento e il raffreddamento radiativi.

Il gruppo, che comprende ricercatori di Scienza dei Materiali e Optoelettronica di Drexel e scienziati computazionali dell'Università della Pennsylvania, ha recentemente presentato la sua scoperta sulle capacità di riscaldamento e raffreddamento radiativo associate a MXene in un documento intitolato "Versatility of infrared properties of MXene" pubblicato su Materials Today.

"Questa ricerca rivela un altro aspetto della versatilità dei materiali MXene", ha affermato Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professore di cattedra di Bach al Drexel's College of Engineering, a capo della ricerca, per poi aggiungere:

"I rivestimenti MXene possiedono eccezionali capacità di contenere o emettere radiazioni infrarosse, pur rimanendo estremamente sottili - 200-300 volte più sottili di un capello umano - leggeri e flessibili, potrebbero trovare applicazioni sia nella gestione termica localizzata che nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento radiativi su larga scala. Ci sono vantaggi significativi con il riscaldamento e il raffreddamento a infrarossi passivi rispetto a quelli attivi tradizionali, che richiedono energia elettrica per funzionare".

Gli MXeni sono una famiglia di nanomateriali bidimensionali originariamente scoperti dai ricercatori Drexel nel 2011, che – grazie alla loro composizione e struttura bidimensionale - si sono progressivamente dimostrati eccezionali nel condurre elettricità, immagazzinare energia elettrica, filtrare composti chimici e bloccare le radiazioni elettromagnetiche.

Nel corso degli anni, gli scienziati dei materiali hanno prodotto e studiato diversi MXeni con varie composizioni chimiche, portando alla scoperta di numerose applicazioni.

La recente scoperta ha visto il team testare e misurare la capacità di 10 diverse composizioni di MXene di aiutare o ostacolare il passaggio della radiazione infrarossa - una misura chiamata "emissività" - che è correlata alla loro capacità di catturare o dissipare passivamente il calore ambientale.

"Sapevamo da ricerche precedenti che gli MXeni sono più che in grado di riflettere o assorbire le onde radio e le radiazioni a microonde, quindi osservare la loro interazione con la radiazione infrarossa, che ha una lunghezza d'onda molto più corta, è stato il passo successivo", ha affermato Danzhen Zhang, un co-dottorato di ricerca nel laboratorio di Gogotsi e co-autore del documento.

"Il vantaggio di poter controllare il passaggio della radiazione infrarossa è che possiamo utilizzare questo tipo di radiazione per il riscaldamento passivo – se riusciamo a contenerlo – o il raffreddamento passivo – se possiamo dissiparlo. Gli MXeni che abbiamo testato hanno mostrato che possono fare entrambe le cose, a seconda della loro composizione elementare e del numero di strati atomici".

Rispetto ai materiali di raffreddamento passivo disponibili oggi sul mercato che fanno affidamento unicamente sulla traspirabilità del tessuto, quelli rivestiti di MXene possono fare "ancora meglio", sostiene Tetiana Hryhorchuk - dottoranda nel laboratorio di Gogotsi e coautrice della ricerca. 

Questo perché i tessuti rivestiti col nanomateriale hanno la capacità aggiuntiva di riflettere la radiazione infrarossa esterna, evitando il riscaldamento dalla luce solare, consentendo anche il passaggio della radiazione infrarossa emessa dal corpo.

I ricercatori hanno inoltre scoperto che gli MXeni di carburo di titanio mostrava un'eccezionale schermatura termica, mentre quelli di carburo di niobio potevano dissipare efficacemente il calore.

Il team ha infatti verificato come la temperatura di un oggetto [rivestito da uno strato ultrasottile di MXene di carburo di niobio], pur venendo posto per cinque minuti su una piastra preriscaldata a 110 gradi Celsius, aumentasse di soli 43 gradi. 

"Un'elevata emissività come nel carburo di niobio è possibile anche nei materiali dielettrici", ha affermato Gogotsi:

"Inoltre, gli MXeni combinano questa capacità con la conduttività elettrica, il che significa che questi MXeni possono essere utilizzati anche come elementi riscaldanti elettrici attivi con la fornitura di energia esterna".

Durante i test i materiali rivestiti di MXene, anche con un rivestimento sottile, si sono comportati meglio nella schermatura della radiazione infrarossa rispetto ai metalli lucidati, che sono attualmente i materiali commerciali con le migliori prestazioni.

Il team ha tinto una maglietta di cotone (colore nero) con una soluzione MXene di carburo di titanio e ha utilizzato una termocamera a infrarossi per monitorare la temperatura di una persona che la indossa.

Il team multidiscipinare ha tinto una maglia di cotone con MXene (di colore nero) e successivamente, con l'ausilio di una termocamera, ha verificato la differenza, nello schermare il calore, rispetto a una maglietta di cotone non trattato, di colore bianco 

I risultati hanno mostrato che la maglietta rivestita di MXene ha efficacemente schermato il calore esterno, mantenendo la temperatura corporea di chi la indossava di circa 10-15 gradi Celsius in meno rispetto alla persona che indossava una normale maglietta.

I MXene possono quindi essere integrati anche in indumenti leggeri e, a seconda della loro composizione, possono mantenere al caldo o al fresco chi li indossa.

"Gli indumenti termici commerciali utilizzano fibre polimeriche molto sottili con bassa conduttività termica, ad esempio il pile", ha affermato Lingyi Bi, ricercatore di dottorato nel laboratorio di Gogotsi, esperto di tessuti.

"Ci tengono al caldo riducendo al minimo il trasferimento di calore attraverso il tessuto, per farlo in modo efficace devono essere molto spessi. Ma MXene ci tiene principalmente al caldo impedendo la fuoriuscita del calore corporeo sotto forma di radiazione infrarossa. Pertanto, un rivestimento MXene più sottile della seta potrebbe fornire un riscaldamento efficace. Questo è lo stesso principio utilizzato nelle coperte termiche in Mylar che i corridori indossano dopo una gara con tempo freddo".

Inoltre, rivestire una maglietta con Mxene è un processo molto più semplice, pratico e veloce rispetto all'iter richiesto dalla maggior parte degli indumenti termici.