"Chiếc áo khoác 'mỏng đi' khi bạn đổ mồ hôi": Cellulose vi khuẩn dạy quần áo tự điều chỉnh nhiệt

Tạp chí Science Advances đã mô tả một loại vải ấm áp "thông minh", với lớp lót bên trong làm từ cellulose vi khuẩn tự nhiên, phản ứng với mồ hôi: khi cơ thể ẩm ướt, chất liệu sẽ tự động mỏng đi, và khi khô, nó lại trở nên "phồng" và giữ nhiệt. Trong nguyên mẫu, độ dày thay đổi từ khoảng 13 mm (khô) thành 2 mm (ẩm), và ý tưởng chung là kéo dài thời gian thoải mái về nhiệt mà không cần thiết bị điện tử và pin.

Lý lịch

Bạn đã thử những gì trước đây:

1. Vật liệu thay đổi pha (PCM) trong các vi nang “nuốt” nhiệt trong quá trình nóng chảy và giải phóng nhiệt trong quá trình kết tinh, nhưng hoạt động trong một khoảng nhiệt độ hẹp và phản ứng kém với mồ hôi thực sự.
2. Vải tỏa nhiệt làm từ polyethylene nano xốp (nanoPE) cho phép bức xạ hồng ngoại của cơ thể đi qua, tạo ra "sự làm mát bức xạ" thụ động, nhưng về cơ bản đây là kênh để loại bỏ chứ không phải là "tự điều chỉnh cách nhiệt" trong quá trình đổ mồ hôi.
3. Bộ truyền động độ ẩm/vải hút ẩm thay đổi hình dạng/lỗ chân lông khi độ ẩm tăng, mở rộng “vùng thoải mái” mà không cần dây - hướng đi này đang nhanh chóng phát triển.

• Vấn đề mà vải "thông minh" giải quyết là: Độ thoải mái nhiệt của quần áo giảm sút khi hoạt động thay đổi đột ngột: quá nóng và đổ mồ hôi khi gắng sức, hạ thân nhiệt do lớp vải ẩm ướt khi dừng lại. Do đó, các loại vải dệt thích ứng nhiệt/ẩm đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, giúp điều chỉnh trao đổi nhiệt mà không cần pin và các thiết bị điện tử phức tạp. Các bài đánh giá nhấn mạnh yếu tố then chốt - quản lý nhiệt độ và độ ẩm động ở cấp độ sợi/lớp vải.
• Tại sao độ ẩm/mồ hôi là "chất xúc tác" tốt nhất? Mồ hôi là dấu hiệu chính nhanh chóng của hiện tượng quá nhiệt: ngay khi độ ẩm cục bộ tăng lên, hệ thống cần giảm điện trở nhiệt (giảm "buồng khí"/buồng hơi) và tăng khả năng bay hơi; khi khô, lớp cách nhiệt sẽ được phục hồi. Do đó, ý tưởng về vật liệu tự động phản ứng với độ ẩm, chứ không phải nhiệt độ bên ngoài, ra đời. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và tránh các thiết bị điện tử cồng kềnh.
• Cellulose vi khuẩn là gì và tại sao nó lại đầy hứa hẹn? BC là một loại polymer sinh học được "nuôi cấy" bởi vi khuẩn axit axetic ( Komagataeibacter ): nó tạo thành một mạng lưới nanofibril với khả năng giữ nước, độ bền, độ thoáng khí và khả năng tương thích sinh học cao. Trong khoa học dệt may/vật liệu, BC được đánh giá cao nhờ khả năng nhạy cảm với độ ẩm và sản xuất bền vững từ nguyên liệu thô tái tạo.
• Một khoảng trống khoa học mà một bài báo mới đã lấp đầy. Hầu hết các giải pháp thụ động đều loại bỏ nhiệt (bức xạ) hoặc đệm nhiệt (PCM), thiếu cân nhắc đến việc độ ẩm tự nó sẽ "chuyển đổi" lớp cách nhiệt. Nghiên cứu trên Science Advances sử dụng lớp BC làm "trái tim" của quần áo ấm, mỏng đi khi mồ hôi thấm vào (ít không khí hơn → ít cách nhiệt hơn) và thẳng lại khi khô - tức là nó tạo ra lớp cách nhiệt tự điều chỉnh dựa trên độ ẩm của cơ thể.
• Bối cảnh thực tế: điều này phù hợp ở đâu? Xu hướng hiện nay là hướng đến các hệ thống thụ động, sinh học và polymer, giúp mở rộng “cửa sổ thoải mái” mà không cần năng lượng của người dùng. Bên cạnh đó là: bộ truyền động hút ẩm thế hệ mới (cho thấy sự mở rộng đáng kể của vùng thoải mái) và làm mát bức xạ dựa trên cellulose/sinh học — BC rất phù hợp với nhánh “xanh” này của quản lý nhiệt độ cá nhân.
• Ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp: Nếu độ “mềm mại” được kiểm soát độ ẩm của vật liệu cách nhiệt BC được xác nhận qua thử nghiệm mặc (giặt, mặc, mùi, điều chỉnh ngưỡng phản ứng), các nhà sản xuất sẽ có một lớp đệm sinh học có khả năng mở rộng cho các lớp mùa đông/hoạt động — ít bị quá nhiệt khi di chuyển và ít bị run khi nghỉ ngơi. Giải pháp này bổ sung, chứ không cạnh tranh, với các giải pháp bức xạ và PCM: chúng có thể được kết hợp trong các hệ thống nhiều lớp.

Nó hoạt động như thế nào

• Lớp màng cellulose vi khuẩn (BC) là một "mạng lưới" tự nhiên các sợi nano được tạo ra bởi các vi khuẩn vô hại (quen thuộc với mọi người từ nấm trà/kombucha). Lớp màng này nhẹ, bền, thoáng khí và ưa nước - nó "cảm nhận" độ ẩm một cách hoàn hảo.
• Khi bạn bắt đầu đổ mồ hôi, độ ẩm cục bộ bên dưới quần áo tăng lên, lớp xơ mất đi độ "phồng" và xẹp xuống - ít không khí bên trong → ít cách nhiệt → cơ thể dễ dàng thoát nhiệt dư thừa hơn. Ngay khi bạn khô, cấu trúc sẽ thẳng lại và trả lại khả năng cách nhiệt cao nhờ không khí giữa các sợi vải. Đây là một cơ chế thụ động đơn giản, hoạt động dựa trên độ ẩm, chứ không phải trên các thiết bị điện tử.

Những gì tác giả đã chỉ ra

• Thích ứng với mồ hôi và độ ẩm. Trong điều kiện khô ráo, vật liệu duy trì độ dày tối đa ~13 mm, và ở độ ẩm cao (mô phỏng mồ hôi), nó mỏng đi ~2 mm. Nhờ "độ dày thay đổi" này, mẫu thử nghiệm kéo dài đáng kể thời gian thoải mái về nhiệt độ so với vải ấm thông thường, đặc biệt là khi thay đổi chế độ "nghỉ ngơi → chịu tải".
• Nguyên lý này có thể mở rộng. Các tác giả nhấn mạnh rằng lớp “lót” có thể được may vào nhiều loại quần áo khác nhau — từ lớp lót đến lớp cách nhiệt — và có thể điều chỉnh theo khí hậu/tải trọng.

Tại sao điều này lại cần thiết?

Quần áo ấm truyền thống là một sự thỏa hiệp: lớp càng ấm, nguy cơ "quá nóng và đổ mồ hôi" càng cao, rồi lại bị hạ nhiệt do đồ lót ướt "mini-sauna". Chất liệu vải, vốn làm yếu khả năng cách nhiệt khi đổ mồ hôi và trở lại trạng thái bình thường khi khô, giúp duy trì "mức độ cân bằng vàng" mà không cần khóa kéo, van và pin không cần thiết. Độ ẩm đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ cơ thể (nhiệt được mang đi bằng cách bốc hơi), vì vậy các loại vải "thông minh" ngày càng học cách phản ứng cụ thể với độ ẩm/độ ẩm.

Loại vải này khác với các loại vải thông minh khác như thế nào?

• Không có thiết bị điện tử. Không giống như các hệ thống chủ động (nhiệt điện tử/robot mềm), ở đây là vật lý thuần túy của vật liệu: ướt → mỏng hơn, khô → dày hơn. Nó đơn giản hơn, rẻ hơn và có khả năng bền hơn.
• Không phải "van", mà là "độ căng mọng". Trước đây, người ta thường cung cấp các loại vải có van/lỗ thoát ẩm hoặc có độ dày như đàn accordion trên các miếng chèn polymer. Giờ đây, vai trò của "đàn accordion" được thay thế bởi bakcellulose tự nhiên, vốn đã được biết đến trong băng y tế và vải dệt "xanh".
• Tiềm năng sinh thái. Cellulose vi khuẩn tương thích sinh học và phân hủy sinh học, có thể trồng mà không cần bông và dầu, và quá trình sản xuất phù hợp với xu hướng hiện nay hướng tới vật liệu bền vững.

Nơi điều này có thể hữu ích

• Mùa đông ở thành phố và "văn phòng-đường phố-tàu điện ngầm". Những thay đổi về hoạt động và khí hậu khiến cơ thể ít "nóng/lạnh" hơn - cảm giác thoải mái "kéo dài" lâu hơn.
• Hoạt động leo núi/chạy bộ. Trong quá trình leo núi/chạy, vải sẽ thông thoáng và cách nhiệt trở lại khi dừng nghỉ.
• Điều kiện thực địa và sản xuất. Càng ít bộ phận chuyển động và thiết bị điện tử thì càng đáng tin cậy. (Điểm cộng cho trọng lượng nhẹ và "thoáng khí" của BC.)

Hạn chế

Đây vẫn là một phát triển khoa học và là nguyên mẫu; nó vẫn cần được thử nghiệm để có thể sử dụng hàng ngày:

• Độ bền và khả năng giặt (nhiều chu kỳ làm ướt và sấy khô, "giặt khô trọn đời"),
• Cảm giác thoải mái và mùi hương dễ chịu khi đeo trong thời gian dài,
• Thiết lập “ngưỡng” phản ứng cho các cấu hình khí hậu/đổ mồ hôi khác nhau,
• Chi phí và quy mô sản xuất bakcellulose thành cuộn vải. Để so sánh: lĩnh vực vải "điều nhiệt" đang phát triển mạnh mẽ, nhưng chỉ một phần nhỏ ý tưởng tiếp cận được thị trường đại chúng.

Phần kết luận

"Quần áo thích ứng với mồ hôi" là sự tiếp nối hợp lý của một thập kỷ tìm kiếm các loại vải nhạy cảm với độ ẩm và nhiệt độ. Một bài báo mới trên Science Advances đã bổ sung cellulose vi khuẩn tự nhiên vào lĩnh vực này như "trái tim" của vật liệu cách nhiệt thích ứng và cho thấy biên độ thay đổi độ dày lớn (13 → 2 mm) cùng với sự gia tăng thời gian thoải mái về nhiệt độ - mà không cần dây và cảm biến.

Nguồn: Quần áo ấm thích ứng nhạy cảm với mồ hôi, Science Advances (AAAS), 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adu3472