極端高溫頻現,中國學者研發超材料織物穿上可降溫近5攝氏度

2021年08月05日10:09

原標題:極端高溫頻現,中國學者研發超材料織物穿上可降溫近5攝氏度

儘管發生了具有降溫效應的拉尼娜事件,2020年仍是全球自有記錄以來最暖的三個年份之一。2021年入夏以來,多國遭受創記錄的強勁熱浪襲擊。當極端天氣越來越頻繁,除了減緩人類活動導致的氣候變化,適應極端氣溫帶來的影響亦刻不容緩。為了幫助人們應對全球變暖背景下的戶外極端氣候條件,基於輻射製冷技術的人體熱管理織物近年來被廣泛研究。簡單來說,就是通過衣物對人體進行熱量調節以提高舒適度,達到“自降溫”的效果。

在近期發表於國際頂尖學術期刊《科學》雜誌的論文中,華中科技大學陶光明團隊與浙江大學馬耀光教授團隊、中國紡織科學研究院陶光明智能織物工作室等多家科研和產業單位進行交叉學科聯合創新,顛覆傳統製冷理念,基於與人們日常生活最密不可分的服裝,研發了在陽光直射的室外環境下可無源使用的隨身“空調”——無源製冷光學超材料織物(Metafabric),戶外暴曬環境可為人體表面降溫近5℃。

“可以把它想像成一個不用電的空調。”本技術的項目負責人華中科技大學陶光明教授對澎湃新聞(www.thepaper.cn)表示,該材料基於輻射製冷原理和結構分級設計理念,防曬同時降溫。成本方面,折算到最終成衣的成本與普通衣服基本持平,僅增加1%-10%,不僅適用於運動員、清潔工、快遞員和抗疫醫護工作者等戶外降溫需求迫切的目標人群,也是普通人享受得起的科技新材料。

超材料織物照片
超材料織物照片

可無源使用的隨身“空調”,從何而來?

人體熱量從皮下組織傳導到皮膚,再通過衣物向周圍環境散發熱量,從而維持動態熱平衡和相對穩定的體溫。因此,通過衣物進行個人熱管理是維持人體個性化熱舒適需求的有效方法。目前,基於熱傳導和熱對流的設計能夠相對有效地實現人體的熱舒適,但仍不能擺脫耗能、笨重等固有缺陷。革新的超材料織物突破了既有思路,是材料-光學-紡織技術的跨領域多學科協同創新。

在烈日炎炎的午後,隔熱和降溫是如何同步實現的?不妨先來看看撒哈拉銀蟻在極端高溫下的生存之道。

撒哈拉銀蟻會在中午陽光最強烈時在沙漠里覓食,彼時地表溫度超過70攝氏度。銀蟻身體頂部和側邊所覆蓋的獨特三角形橫截面毛髮就像一種反射塗層,使其能在反射太陽光照射的同時,將熱量高效輻射到溫度接近絕對零度的外太空中,從而保持身體涼爽。銀蟻和外太空之間隔著厚厚的大氣層,大氣層里的各種氣體會吸收不同波長的電磁波。但精妙的是,由於大氣透明窗口(8-13 μm)的存在,地球表面處於該波長範圍內的電磁波可以直接穿過大氣層到達宇宙空間。

該論文共同通訊作者、浙江大學光電科學與工程學院馬耀光教授對澎湃新聞解釋稱,超材料織物對太陽光光譜有很好的反射效果。通過分級形態設計,該織物能夠拓寬隨機結構的光譜響應範圍,實現分波段波長的反射效果。同時,該織物在中紅外波段(8-13 μm)具有很好的輻射效果,可以把中紅外輻射功率最大化,將人體身上的熱量輻射至外太空的絕對零度空間,實現製冷。

用於日間輻射冷卻的超材料織物原理示意圖
用於日間輻射冷卻的超材料織物原理示意圖

對於上述原理,陶光明教授在接受媒體採訪時用了一個更通俗的比喻:穿在身上就像背著一面鏡子,又外掛一台空調。鏡子,不是說衣服像鏡面一樣直接反射陽光,而是通過納米材料的特定排布,如同一個納米迷宮,陽光照射進來,不斷折射、拐彎,最後反射出去。空調,不是說衣服里有一個製冷設備,而是利用宇宙背景的絕對低溫冷源,保持與它的熱交換通道的暢通。

輻射製冷技術常被用在塗層或是薄膜上,但要使該技術與織物完美兼容,仍具有挑戰。該論文共同第一作者之一、浙江大學光電科學與工程學院博士生片思傑對澎湃新聞解釋說,超材料織物的突破性在於,研究團隊對織物結構進行了優化,將反射率提高到90%以上;可實現低成本、批量化生產;與以往的輻射製冷材料相比,穿戴舒適性、透氣性大大增強。

超材料織物的主體由可生物降解的聚乳酸纖維編織而成,內部復合高折射率納米散射介質,織物上部層壓透氣防水的服裝膜。全新的結構設計將從太陽輻射波段到中紅外波段(0.3-25μm)的光譜分為三個波段,交由超材料織物中的不同級次響應,最終實現紫外、可見-近紅外及中紅外波段的寬光譜精準調控,為該織物提供了92.4%的高太陽光反射率和94.5%的高中紅外發射率。

在無源輸入條件下,超材料織物可實現全天低於環境溫度2-10℃的製冷效果。馬耀光教授說,根據環境條件的不同,降溫效果會呈現差異。上述降幅意味著,該材料具有較好的輻射製冷性能。

超材料織物與棉對人體體表降溫對比測試(西雙版納,2020年12月13日)。 (a) 人體體表降溫測試照片;(b) 人體體表降溫對比測試紅外圖(左邊為棉,右邊為Metafabric)

論文實驗數據顯示,研究團隊製作一半棉、一半超材料織物的自製背心進行實際人體皮膚測試,相較於商用白色棉織物,覆蓋超材料織物的人體表面降溫近5 ℃(廣州,2020年12月7日)。後續研究團隊與2020年12月13日在西雙版納再次進行測試,並用紅外相機記錄全程的溫度變化情況,測試結束後脫下背心,誌願者前胸左右兩邊呈現明顯溫差。在模擬汽車測試中(廣州,2020年12月7日),覆蓋超材料織物的汽車模型內部溫度,相較於覆蓋商用車罩的模型可降溫超過27 °C,相較於無織物覆蓋的模型可降溫超過30 °C。

性價比如何?量產後將成為平價產品

近年來,關於降溫織物材料的科研成果頻出。比如,2016年斯坦福大學崔屹教授團隊研發出一種納米聚乙烯(nanoPE)材料,通過讓織物變成中紅外透明,讓身體散熱。2019年,馬里蘭大學歐陽敏教授團隊發明的織物利用織物本身收縮性,通過外界和身體之間通風實現更好的散熱效果。

馬耀光教授認為,這些發明是以不同思路達到同樣的結果;在應用層面,不同環境中可能會有不同的需求。“他們實際上是一個互為補充的關係。”其評價道。

該項目從最初研發啟動、有望推廣到實際產出超材料面料,曆時三年左右。研究團隊對澎湃新聞記者表示,從一開始選材,到材料處理,再到結構設計,過程中遇到過大大小小不計其數的挑戰。

比如理論上設計的比例在實際中可能做不到。在投入生產時,工業化大生產的設備無法達到實驗室設備的精度。“這時需要很多經驗豐富的技術工人一起協助我們,中國紡織科學技術研究院於2019年年底成立了陶光明智能織物工作室,對項目的推動提供了很大幫助。”陶光明介紹說,從樣品的加工到測試,也是克服了許多困難,比如生產用的工業設備會有一些雜質汙染材料,要想辦法將雜質去掉。科研團隊在工藝上做了很多摸索,將問題逐一破解。”

“卡殼的問題太多了,每往前推進一步就會遇到一些問題。”論文第一作者、華中科技大學武漢光電國家研究中心碩士生曾少寧對澎湃新聞回憶稱,從纖維到編織,團隊耗費了不少時間。科研進度還受到了突然爆發的新冠疫情影響。2020年10月左右,團隊初步製出初代織物,開始測試。“為了實現光學性能和織物服用性能的最佳匹配,我們根據編織過程的反饋我們又重新調整纖維的製備,根據測試的結果調整工藝參數,反複優化。”

最終,在跨多學科的交叉協同創新下,團隊實現了從“一顆聚合物顆粒”到“一卷超材料面料”的長鏈條征程。

華中科技大學陶光明(中間左)、浙江大學馬耀光(中間右)及部分研發人員

成本低,是超材料織物的一大優勢。據馬耀光介紹,相比於普通織物,超材料織物所製備的成衣,其預計價格與普通衣服相差不大。這也意味著,與目前價格較貴的液冷服、空冷服相比,超材料織物能使更多普通人享受到這一科技成果。“我覺得這對社會可能會有一些更有意義的價值。”馬耀光說道。

該研究顯示,超材料織物具有較好的透氣性、防水性、柔軟舒適性等優點,同時其也能與商業縫紉技術兼容,進行刺繡、切割與縫製。目前的超材料織物為白色織物,顏色多樣性方面的突破,仍需進一步探索。

武漢光電國家研究中心發佈的一篇介紹文章稱,除了論文中所公開的測試結果,超材料織物團隊對降溫口罩的初步樣品也進行對比測試,相比之下超材料織物具有優異的性能,可以在多種場景中廣泛應用。

當前疫情防控形勢下,醫護工作者穿戴悶熱的口罩與防護服為人們進行病毒檢測和疫苗注射。目前,研發團隊已將超材料織物成功應用於防護口罩和防護服,與傳統醫用防護材料相比,防護用降溫紡織品材料成功實現了戶外的有效降溫(2-5攝氏度),進一步研發後有望在保持防護服防護的基礎上讓醫護工作者具有更好的熱舒適。

“現在聯繫我們的人有點多。”據陶光明教授透露,從項目開始至今,已有大量化纖製造、紡紗紡織、時尚服飾等領域的行業巨頭主動對接交流合作。下一步,超材料織物還有望為體育賽事作一些科技支撐。

此外,聚乳酸材料只是該團隊研究的原材料之一。“我們現在也在做滌綸、氨綸、尼龍等,都做得非常順利。這些是年產量非常龐大的化纖材料。”陶光明表示。

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