"سترة تُنحف عند التعرق": السليلوز البكتيري يُعلّم الملابس تنظيم الحرارة ذاتيًا

وصفت شركة "ساينس أدفانسز " نسيجًا دافئًا "ذكيًا"، حشوته مصنوعة من السليلوز البكتيري الطبيعي، والذي يتفاعل مع التعرق: فعندما يكون النسيج رطبًا حول الجسم، يصبح رقيقًا تلقائيًا، وعندما يجف، يكتسب "انتفاخًا" ويحتفظ بالحرارة. في النموذج الأولي، تغير سمكه من حوالي 13 مم (جاف) إلى 2 مم (رطب)، والفكرة العامة هي إطالة مدة الراحة الحرارية دون الحاجة إلى إلكترونيات أو بطاريات.

خلفية

ماذا جربت من قبل:

1. تمتص مواد تغيير الطور (PCMs) الموجودة في الكبسولات الدقيقة الحرارة أثناء الذوبان وتطلقها أثناء التبلور، ولكنها تعمل في نافذة درجة حرارة ضيقة وتتفاعل بشكل سيئ مع التعرق الحقيقي.
2. تسمح الأقمشة المشعة التي تعتمد على البولي إيثيلين النانوي (nanoPE) بمرور الأشعة تحت الحمراء الحرارية للجسم، مما يوفر "تبريدًا إشعاعيًا سلبيًا"، ولكن هذا في الأساس قناة للإزالة، وليس "تنظيمًا ذاتيًا للعزل" أثناء التعرق.
3. تغير محركات الرطوبة/الأقمشة الماصة للرطوبة شكلها/مسامها عندما تزيد الرطوبة، مما يؤدي إلى توسيع "منطقة الراحة" بدون أسلاك - الاتجاه ينضج بسرعة.

• المشكلة التي تحلها الأقمشة "الذكية". تتلاشى الراحة الحرارية للملابس مع تغير النشاط بسرعة: ارتفاع درجة الحرارة والتعرق أثناء بذل الجهد، وانخفاض درجة حرارة الجسم بسبب طبقة رطبة عند التوقف. لذلك، شهدت المنسوجات الحرارية/الرطبة المتكيّفة تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة، حيث تُضبط تبادل الحرارة دون الحاجة إلى بطاريات أو أجهزة إلكترونية معقدة. تُركز المراجعات على العامل الرئيسي - الإدارة الديناميكية للحرارة والرطوبة على مستوى طبقة الألياف/القماش.
• لماذا تُعدّ الرطوبة/العرق أفضل مُحفّز؟ يُعدّ العرق المؤشر السريع الرئيسي لارتفاع درجة الحرارة: فبمجرد ارتفاع الرطوبة المحلية، يحتاج النظام إلى تقليل المقاومة الحرارية (تقليل "الانتفاخ"/حجرات الهواء) وزيادة التبخر؛ وعندما يجفّ، يُعاد العزل. ومن هنا جاءت فكرة المواد التي تستجيب تلقائيًا للرطوبة، لا لدرجة الحرارة الخارجية. وهذا يُوفّر الطاقة ويُجنّب الأجهزة الإلكترونية الضخمة.
• ما هو السليلوز البكتيري ولماذا يُعدّ واعدًا ؟ السليلوز البكتيري هو بوليمر حيوي تُنمّيه بكتيريا حمض الأسيتيك ( Komagataeibacter ): يُشكّل شبكة نانوية ليفية ذات سعة عالية للماء، ومتانة، ونفاذية هواء، وتوافق حيوي. في علوم المنسوجات/المواد، يُقدّر السليلوز البكتيري لحساسيته للرطوبة وإنتاجه المستدام من مواد خام متجددة.
• فجوة علمية يسدها بحث جديد. معظم الحلول السلبية إما تزيل الحرارة (إشعاعيًا) أو تعزلها (مادة متغيّرة الطور)، معتقدةً أن الرطوبة نفسها يجب أن "تبدّل" العزل. يستخدم البحث المنشور في مجلة "ساينس أدفانسز " طبقة الـ BC كـ"قلب" للملابس الدافئة، التي تخفّ مع العرق (قلة الهواء ← قلة العزل) وتستقيم مجددًا عند الجفاف - أي أنها تُكوّن عزلًا حراريًا ذاتي التنظيم يعتمد على رطوبة الجسم.
• سياق المجال: أين يقع هذا ؟ يتجه التوجه نحو الأنظمة السلبية والبيولوجية والبوليمرية التي تُوسّع "نافذة الراحة" دون الحاجة إلى طاقة المستخدم. إلى جانب هذه الأنظمة: الجيل الجديد من المحركات الهيغرومورفية (التي تُظهر توسعًا ملحوظًا في منطقة الراحة) والتبريد الإشعاعي القائم على السليلوز/البيولوجيا - يتناسب نظام التبريد بالبوليمرات (BC) تمامًا مع هذا الفرع "الأخضر" من إدارة الحرارة الشخصية.
• التداعيات العملية على الصناعة: إذا تأكدت "متانة" عزل البولي كربونات القابلة للتحكم في الرطوبة من خلال اختبارات التآكل (الغسل، التآكل، الروائح، ضبط عتبة الاستجابة)، فسيكون لدى المصنعين حشوة حيوية قابلة للتطوير للطبقات الشتوية/النشطة - مع انخفاض في ارتفاع درجة الحرارة أثناء الحركة وانخفاض في الارتعاش أثناء الراحة. هذا مُكمّل، وليس منافسًا، للحلول الإشعاعية وحلول PCM: يمكن دمجها في أنظمة متعددة الطبقات.

كيف يعمل

• حشوة السليلوز البكتيري (BC) عبارة عن شبكة طبيعية من الألياف النانوية تُنتجها بكتيريا غير ضارة (معروفة للجميع من فطريات الشاي/الكومبوتشا). هذا الغشاء خفيف الوزن، ومتين، وجيد التهوية، ومحب للماء - فهو يستشعر الرطوبة بدقة.
• عندما تبدأ بالتعرق، تزداد الرطوبة الموضعية تحت الملابس، وتفقد الطبقة الليفية انتفاخها وتتسطح - قلة الهواء في الداخل ← عزل أقل ← يُسهّل على الجسم فقدان الحرارة الزائدة. بمجرد أن تجف، يستقيم الهيكل مجددًا ويستعيد مستوى عالٍ من العزل الحراري بفضل الهواء بين الألياف. إنها آلية سلبية بسيطة تعمل على الرطوبة، وليس على الإلكترونيات.

ما أظهره المؤلفون

• التكيف مع العرق والرطوبة. في الظروف الجافة، تحافظ المادة على سُمك أقصى يبلغ حوالي 13 مم، وفي الرطوبة العالية (التي تُحاكي التعرق) يخف سُمكها إلى حوالي 2 مم. بفضل هذا "السمك المتغير"، يُطيل النموذج الأولي مدة الراحة الحرارية بشكل ملحوظ مقارنةً بالأقمشة الدافئة التقليدية، خاصةً عند تغيير وضع "الراحة ← التحميل".
• المبدأ قابل للتطوير. يؤكد المؤلفون على إمكانية خياطة "الحشوة" في أنواع مختلفة من الملابس - من البطانات إلى الطبقات العازلة - وتعديلها حسب المناخ/الحمل.

لماذا هذا ضروري على الإطلاق؟

الملابس الدافئة التقليدية حل وسط: فكلما زادت دفئ الطبقة، زاد خطر "السخونة الزائدة والتعرق"، ثم البرودة الزائدة بسبب رطوبة الملابس الداخلية "الساونا الصغيرة". تساعد المنسوجات، التي تُضعف العزل أثناء التعرق وتُعيده عند الجفاف، على الحفاظ على "الوضع الأمثل" دون الحاجة إلى سحابات وصمامات وبطاريات غير ضرورية. تلعب الرطوبة دورًا رئيسيًا في التحكم الحراري لدى الإنسان (حيث تُفقد الحرارة عن طريق التبخر)، لذا تتطور الأقمشة "الذكية" بشكل متزايد لتتفاعل بشكل خاص مع الرطوبة/البلل.

كيف يختلف هذا المنتج عن الأقمشة الذكية الأخرى؟

• لا إلكترونيات. على عكس الأنظمة النشطة (العناصر الحرارية/الروبوتات اللينة)، تعتمد هذه المادة على الفيزياء البحتة: رطبة ← أرق، جافة ← أكثر سمكًا. إنها أبسط وأرخص، وربما أكثر متانة.
• ليس "الصمامات"، بل "الامتلاء". في السابق، كانت تُطرح أقمشة مزودة بصمامات/مسام رطوبة أو بسماكة أكورديون على حشوات بوليمرية. الآن، يتولى دور "الأكورديون" الباكسليلوز الطبيعي، المعروف في الضمادات الطبية والمنسوجات "الخضراء".
• إمكانيات بيئية. السليلوز البكتيري متوافق حيويًا وقابل للتحلل الحيوي، ويمكن زراعته دون استخدام القطن والزيت، ويتماشى إنتاجه مع التوجه الحالي نحو المواد المستدامة.

أين يمكن أن يكون هذا مفيدًا

• الشتاء في المدينة وشوارع المكاتب والمترو. تغيرات النشاط والمناخ تُقلل من تعرض الجسم للحرارة والبرودة، بينما تدوم الراحة لفترة أطول.
• أنشطة الجبال/الجري. أثناء التسلق/الجري، يُهوى القماش، وعند الاستراحة يُعزل مرة أخرى.
• ظروف العمل والإنتاج. كلما قلّت الأجزاء المتحركة والإلكترونيات، زادت موثوقيتها. (إضافةً إلى خفة وزنها وقدرتها على التنفس).

قيود

لا يزال هذا تطويرًا علميًا ونموذجًا أوليًا؛ ولا يزال بحاجة إلى اختباره للاستخدام اليومي:

• المتانة وقابلية الغسيل (دورات متعددة من الترطيب والتجفيف، "التنظيف الجاف مدى الحياة")،
• راحة البشرة والروائح عند ارتدائها لفترات طويلة من الزمن،
• إعداد "عتبات" الاستجابة لأنماط المناخ/التعرق المختلفة،
• تكلفة ونطاق زراعة الباكسليلوز في لفات القماش. للمقارنة: يشهد مجال الأقمشة "المنظمة للحرارة" نموًا نشطًا، ولكن جزءًا فقط من الأفكار يصل إلى السوق العامة.

خاتمة

"الملابس التي تتكيف مع العرق" هي استمرار منطقي لعقد من البحث عن منسوجات حساسة للرطوبة ودرجة الحرارة. وتُضيف ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة "ساينس أدفانسز" السليلوز البكتيري الطبيعي إلى هذا المجال باعتباره "جوهر" العزل التكيفي، وتُظهر مدىً كبيرًا في تغير السُمك (13 ← 2 مم) مع زيادة في زمن الراحة الحرارية - بدون أسلاك أو أجهزة استشعار.

المصدر: الملابس الدافئة التكيفية الحساسة للعرق ، التقدم العلمي (AAAS)، 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adu3472