階層的光子構造を持つバイオインスパイアードタフメタファイバー：耐久性のある受動的放射熱管理のための

2025-03-09 Sun
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学術的背景地球規模の気候変動の進行に伴い、建築物のエネルギー消費、特にエアコンシステムのエネルギー消費が増加し続けています。統計によると、建築物のエアコンシステムは世界の年間電力消費量の約10%を占めており、この数字は二酸化炭素排出量の増加と共に上昇し、地球温暖化の悪循環をさらに加速させています。受動的放射熱管理技術、特に選択的なスペクトル変調を利用した放射冷却技術は、この問題を解決する可能性のある手法として注目されています。この技術は、太陽光（0.3-2.5 μm）を散乱させ、大気窓（8-14 μm）を通じて熱を宇宙空間（約3 K）に放射することで、追加のエネルギー投入や環境汚染を必要とせずに自動的に温度調節を実現します。
しかし、既存の放射冷却材料、例えばガラス、ブロック、フィルム、コーティングなどは、柔軟性や通気性が不足していることが多く、特定の物体表面への適用が制限されています。繊維ベースの材料は、その優れた柔軟性と可塑性から、さまざまな場面で広く利用されています。しかし、既存の繊維材料は機械的強度と耐久性の面で大きな課題を抱えており、特に屋外冷却用途では、材料の高い太陽光反射率と機械的強度の両立が大きな課題となっています。
論文の出所この論文は、Xiaoyan Li、Zhiguang Guoら研究者によって執筆され、東華大学（Donghua University）、四川大学（Sichuan University）、およびシカゴ大学（University of Chicago）などの機関から発表されました。論文は2025年に『Advanced Fiber Materials』誌に掲載され、タイトルは「Bio-Inspired Tough Metafiber with Hierarchical Photonic Structures for Durable Passive Radiative Thermal Management」です。
研究のプロセスと結果1. 研究設計と繊維の製造研究者らは、天然の絹繊維にインスパイアされ、多層構造を持つ光熱構造を備えたバイオミメティック繊維（PMABF）を設計しました。絹繊維はその独特な多層形態構造で知られ、優れた光学的および機械的特性を持っています。研究者らは、ナノファイバー集合体の多スケール構造構築と分子界面工学を利用して、絹に似た強靭な超繊維を開発しました。
製造プロセスは以下のステップに分かれています：
1. アラミドナノファイバー（ANFs）ゲルの製造：Kevlar 1000D繊維を切断、洗浄、乾燥した後、ジメチルスルホキシド（DMSO）、水酸化カリウム（KOH）、および脱イオン水と混合し、24時間攪拌してANFsゲルを形成。
2. 繊維成形：ANFsゲルを異なる形状の針（絹状や円形など）に注入し、室温で24時間静置してANFsゲル繊維を形成。
3. 分子界面工学：ANFsゲル繊維をメチルトリメトキシシラン（MTMS）溶液に浸し、酢酸溶液を加えて原位置加水分解と縮合反応を行い、ナノファイバーネットワーク構造を形成。
4. 凍結乾燥：溶媒置換と凍結乾燥技術を経て、多層光熱構造を持つPMABF繊維を最終的に製造。
2. 光学および機械的特性のテスト研究者らは、PMABF繊維の光学的および機械的特性を一連の実験でテストしました：
- 光学特性：PMABF布地は、大気窓内で98.6%という高い中赤外（MIR）放射率と、太陽スペクトルで86.7%の反射率を示しました。この高い反射率は、表面のマイクロ/ナノ粒子と内部の空隙を持つ楕円形のフォトニック構造に起因しています。
- 機械的特性：分子界面工学により、PMABF繊維の引張強度は125%向上し、圧縮応力は261.5%向上しました。分子間の強い相互作用力が外部応力を効果的に分散させ、繊維の機械的強度を強化しました。
- 熱安定性と疎水性：PMABF繊維は優れた熱安定性と疎水性を示し、極端な環境下でもその構造と性能を維持しました。
3. 実際の応用テスト研究者らは、PMABF繊維を建築物の屋根や外壁に適用し、建築物の熱管理における性能をシミュレーションしました。EnergyPlusソフトウェアを使用して計算した結果、PMABFを設置した建築物は、11の異なる気候条件において年間エネルギー消費量が大幅に減少し、最大で85.7%の削減が可能であることが示されました。さらに、PMABF繊維は、高真空抵抗蒸着コーティング（HVREC）技術を用いて繊維の片面に銀膜を堆積させ、冷却モードと加熱モードの切り替えを可能にするデュアルモード布地の製造にも使用されました。
結論と意義この研究では、バイオミメティックデザインを通じて、多層光熱構造を持つ強靭な超繊維を開発し、優れた光学的および機械的特性を実現しました。PMABF繊維は、高い太陽光反射率とMIR放射率を備えるだけでなく、卓越した機械的強度、熱安定性、疎水性を示し、建築物のエネルギー管理や極限環境下での熱保護に対する新しい解決策を提供します。
研究のハイライトバイオミメティックデザイン：絹繊維の多層構造を模倣することで、優れた光学および機械的特性を持つバイオミメティック繊維を開発。
分子界面工学：分子界面の制御により、繊維の機械的強度と光学特性を強化し、多層構造の相乗効果を実現。
実際の応用：PMABF繊維を建築物の熱管理やデュアルモード布地に応用し、省エネルギーと熱管理における大きな可能性を示しました。
その他の有用な情報研究では、PMABF繊維が熱ステルスや電熱応用においても潜在能力を持つことが示され、その応用範囲がさらに広がりました。高真空抵抗蒸着コーティング技術を用いて、研究者らは高い導電性を持つ銀膜繊維を製造し、赤外ステルスや電熱調節の新しい可能性を提供しました。
この研究は、繊維材料の設計に新たな視点を提供するだけでなく、建築物のエネルギー管理や極限環境下での熱保護に対する実用的な解決策を提示し、科学的および応用的な価値が非常に高いものです。