Science：体表降温近5℃！超材料制冷织物

中科院半导体所 昨天

以下文章来源于中国光学 ，作者Light新媒体

中国光学
中国光学

中科院长春光机所Light学术出版中心旗下学术传播与服务平台，带你解读全球光学最新研究进展。

图片


来源：公众号“中国光学”（ID：ChineseOptics）

说明 | 本文由论文作者投稿


辐射制冷是物体以中红外辐射形式向外释放热量，实现零能耗的降温的过程。由于大气透明窗口(ATSW, λ~8-13 μm)的存在，处于该波长范围内的电磁波可以直接穿过大气层到达宇宙空间。同时，包括人体在内的地表常温物体的黑体辐射光谱（7-13 μm）与大气透明窗口基本重叠，使得该技术具有可观的制冷功率。

自然界中，撒哈拉银蚁具有密集排列的独特三角形毛发的体表，也在一定程度上实现了对热辐射和可见光的选择性光谱调控，使它们能够在非洲沙漠的恶劣温度条件下生存。


随着近几年微纳光学的发展，研究人员能够利用波长/亚波长尺度的微纳结构设计，实现对中红外波段和太阳辐射波段的选择性光谱调控。已有多种高效率、低成本、可批量制备的辐射制冷系统有望成为传统耗能热管理技术极具潜力的替代及补充方案。

基于辐射制冷技术的人体热管理织物（即辐射制冷织物）在近年来也被广泛研究，并在节能、生命安全等领域具有很大的应用价值。

不过，目前的辐射制冷织物，其结构的调控方式相对单一，采用不同种类的聚合物所实现的光谱调控范围主要集中在中红外波段。太阳辐射波段的吸收，使得织物在户外阳光直射的炎热环境下无法实现有效制冷。

而对太阳辐射波段的高效调控，往往需要在织物内部引入如空气孔、介质颗粒、聚合物纳米纤维等纳米结构。但是，低散射效率、强紫外吸收，以及与纺丝、织造等技术兼容性差等因素，使得这些方案在实现高太阳反射率的辐射制冷织物时仍面临挑战。

近日，华中科技大学陶光明教授与浙江大学马耀光教授团队、中国纺织科学研究院生物源纤维制造技术国家重点实验室智能织物工作室等多家科研和产业单位进行交叉学科联合创新，基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发了具有形态分级(Hierarchical-morphology)结构的超材料织物(Metafabric)，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。


图片

图1：研究人员展示具有形态分级结构的超材料织物

图源：华中科技大学陶光明教授与浙江大学马耀光教授团队


研究成果以 Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling 为题于2021年7月8日在线发表在Science。

从辐射制冷原理和服用聚合物材料特性研究出发，将光学超材料技术与批量制备技术相结合对纺丝、纺纱、织造、层压整个工艺流程进行探索和调控，以匹配纤维力学性能、织物服用性能以及光学性能的要求，实现稳定制备。基于材料-光学-纺织技术的跨领域、多学科协同创新，超材料织物在不同空间和不同尺度上进行分级，形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。


图片

图2：超材料织物原理图

图源：Science 10.1126/science.abi5484 (2021) (Figure. 1)


超材料织物的主体由可生物降解的聚乳酸纤维编织而成，内部复合高折射率纳米散射介质，织物上部层压透气防水的服装膜。全新的结构设计将从太阳辐射波段到中红外波段（0.3-25 μm）的光谱分为三个波段，交由超材料织物中的不同级次响应，最终实现紫外、可见-近红外及中红外波段的宽光谱精准调控，为metafabric提供了92.4%的高太阳光反射率和94.5%的高中红外发射率。
图片

图3：超材料纤维及织物照片

图源：Science 10.1126/science.abi5484 (2021) (Figure. 2)


独特形态分级结构设计赋予超材料织物良好的制冷性能（图4）。研究团队制作一半棉、一半超材料织物的自制背心进行实际人体皮肤测试（西双版纳，2020年12月13日），并用红外相机记录全程的温度变化情况，测试结束后脱下背心，志愿者前胸左右两边呈现明显温差，相较于商用白色棉织物，覆盖超材料织物的人体表面降温近5 ℃。在模拟汽车测试中（广州，2020年12月7日），覆盖超材料织物的汽车模型内部温度，相较于覆盖商用车罩的模型可降温超过27 °C，相较于无织物覆盖的模型可降温超过30 °C。


图片

图4：阳光直射下超材料织物的制冷性能

图源：Science 10.1126/science.abi5484 (2021) (Figure. 4)


超材料织物不仅在暴晒环境下展示了高效的无源降温效果，且易于与各类物体表面相结合，可与众多应用场景相兼容，以保护暴露于天空下、受到阳光损害的人和物体。另外，超材料与成熟的现代纺织工业技术完全兼容，具备低成本、可批量制备等特征，适合大规模推广和产业化应用，零能耗地满足人们对于户外环境的降温需求。

本研究通过光子学调控，对微环境实现高效的热学管理。所提出的超材料织物具有优异的制冷性能和服用性能，将进一步助力国家产业基础高级化战略，服务于生产生活的多种场景需求中。

论文信息：

Science  08 Jul 2021: eabi5484


编辑 | 赵阳
图片 欢迎课题组投递成果宣传稿

转载/合作/课题组投稿，请加微信：447882024

编辑：大暑

图片

    阅读原文