华科&浙大Science:新型衣服材料助力体感温度最高降低4.8℃

CYM 3年前 (2021-08-22) 5399浏览

【引言】

随着全球变暖加剧，室外温度不断提高，暴露在户外环境中的人们如何实现零能耗防护成为研究热点。个人热管理（PTM）作为一种新兴技术，能够对人体周围小范围内的微环境进行局部热量调控，在降低能耗的同时，按照需求调节制冷和保温功率，从而实现高效热舒适。然而，能源消耗问题和PTM系统设计的挑战尚未解决。辐射制冷是克服这些障碍的一种很有前途的制冷技术，其通过大气透明窗口将热量直接辐射到外层空间，以实现零能耗的被动制冷。近年来，利用纳米光子结构（如光子晶体、超材料和随机介质）同时增强太阳反射与中红外热辐射的日间辐射制冷装置和系统已被广泛研究。然而，迄今为止的大多数辐射制冷结构（薄膜或涂层等）仍具有较低的可穿戴性，限制其直接应用于PTM系统。作为保护皮肤免受外部环境影响的主要媒介，织物是实现日间辐射制冷个人热管理的绝佳选择。基于辐射制冷的个人热管理织物，将通过强烈反射太阳辐射阻挡热量输入，同时在中红外波段强烈辐射热量，以维持日间阳光直射环境下的有效制冷，有望显著提高人体热舒适。且整个过程中不需要外部能量输入，从而具备传统耗能热管理技术所不具备的优点。

近日，华中科技大学陶光明教授和浙江大学马耀光教授将被动辐射制冷结构引入个人热管理技术，有效地保护人体免受日益加剧的全球气候变化的影响。具体来讲，作者设计了一种具有分级形态结构的超材料织物，织物主体由氧化钛-聚乳酸（TiO₂-PLA) 复合纤维编织而成，其上层压了一层厚度约为50 μm的聚四氟乙烯 (PTFE) 服装膜。超材料织物在太阳辐射波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率，在中红外波段（8-13 μm）具有94.5%的发射率。同时，通过可批量生产的工业纺织品制造路线，织物展现出可与商业服装比拟的机械强度，防水性和透气性，并具备高效的辐射冷却能力。实际应用测试表明，与商用白色棉织物相比，使用本文的超织物对人体皮肤表面最高降温可达约4.8℃（广州，2020年12月7日）。这项技术基于结构设计，精准化光学响应，使黑体辐射趋于极限，验证了优异的辐射制冷效果，具备低成本、可规模化制备和产业化等优势。相关研究成果于2021年7月以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”为题发表在Scienc上。

【图文导读】

图一、超材料织物的结构和模拟性能（A）用于日间辐射制冷的超材料织物示意图；

（B）计算超材料织物中的不同尺寸散射体的散射和吸收效率；

（C）计算相同掺杂浓度（15%）下，具有不同厚度和TiO₂粒径的超材料织物的太阳反射率（0.3-2.5 μm ）；

（D）具有优化粒径分布及给定体积分数的PTFE和TiO₂纳米颗粒的散射系数以及实验测量得到的超织物及其子结构的太阳辐射波段反射率曲线；

（E）不同的热对流系数下，在34℃的皮肤温度和 22℃的环境温度下计算得到的超材料织物的净制冷能力与织物厚度的关系。

图二、超材料织物的制备和表征

（A）超材料织物的制备流程示意图；

（B）超材料纤维的光学照片；

（C）超材料纤维强度与伸长率的机械强度测试；

（D）超材料纤维缝纫效果图；

（E）超材料织物的光学照片 (0.3 m × 15 m)；

（F）超材料织物、棉、氨纶、雪纺、亚麻和防晒服的拉伸强度测试；

（G）超材料织物的上表面和下表面的形貌；

（H）超材料织物的防水性和透气性展示照片；

（I）超材料织物（0.3-2.5μm）的反射率和发射率光谱。

图三、超材料织物的降温性能测试（A，B）辐射制冷性能测试装置的示意图和照片；

（C）测试装置结构示意图和样品照片；

（D）辐射制冷性能测试的连续温度测量；

（E）模拟人体皮肤降温测试装置结构示意图和测试织物样品照片；

（F）模拟人体皮肤降温对比测试曲线图。

图四、阳光暴晒下超材料织物的实用性能表征（A）人体和汽车模型的超材料织物降温测试示意图；

（B）在阳光直射下不同织物覆盖皮肤的温度测试曲线；

（C）人体体表降温对比测试红外图（左边为棉，右边为Metafabric）；

（D）不同覆盖情况下的模拟汽车降温对比测试曲线。

【小结】

综上所述，超材料织物展现出高效的辐射制冷性能，并为PTM应用提供了必要的透气性和穿戴舒适性。与薄膜或涂层等形态相比，编织结构使超材料织物能够轻松适应复杂的变形（弯曲、拉伸和扭曲），从而与多种物体表面相兼容。通过刺绣、剪裁和缝纫，可以使其融入不同应用场景，如服装、帐篷、车罩、窗帘、遮阳篷等。此外，通过对纤维结构特性的进一步优化和探索，研究人员有望利用辐射制冷和汗液蒸发的共同作用来提高制冷效率。虽然本文还没有深入探索颜色兼容的辐射制冷功能以及制冷功率调制，但基于分级形态设计的理念，应用第四级染色层以及非对称的光子学结构将有望解决上述挑战。

华中科技大学：

1.团队介绍

陶光明，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院双聘教授、博士生导师、华中学者特聘岗教授、人机智能交互联合实验室主任。陶教授致力于研究多材料特种光纤、面向腔内精准微创手术的柔性纤维医疗机器人以及康养全场景的智能织物技术等跨学科研究工作，先后在Science (1), Nature (2), Proc. Natl. Acad. Sci. (2)等国际学术杂志发表论文60余篇，拥有已授权国际/国内发明专利近20项、申请国家发明专利近60项（其中专利许可转让9项）。陶教授为国家自然科学基金委面上项目、之江实验室重大科研项目和陈嘉庚青年科学奖等科技项目担任评审专家、任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国纺织科学研究院智能织物工作室主任、中国光学学会红外与光电器件专业委员会委员、中国红外医学产业技术创新战略联盟独立委员、湖北省硅酸盐学会理事、激光与光电子学进展期刊编委、Advanced Fiber Materials期刊副主编等。在智能纤维和织物领域的科研工作受到新华社、人民日报、学习强国、Science News、美国化学学会、美国物理学会等主流媒体的广泛关注。

华中科技大学陶光明教授带领的先进功能纤维研究中心（Center for Advanced Functional Fibers, CAFF）致力于多材料特种光纤、面向腔内精准微创手术的柔性纤维医疗机器人以及康养全场景的智能织物技术等跨学科研究工作。CAFF团队坚持“四个面向”，旨在将具有不同的电、光、热和机械性能的材料集成到具有复杂结构和多种功能的单个纤维中，为在多个领域中的扩展应用提供新的机会，使纤维在未来更加无缝地融入日常生活。课题组目前已形成一支包含博士生、硕士生、本科生、技术工程师、专职科研秘书等在内的完整科研梯队，已搭建具有国际一流水准的智能纤维制造科研平台。

2.团队在该领域的工作汇总

陶教授在加入华中科技大学后，带领的科研团队在相关领域发表了一系列的工作：制备了一种轻质防水、柔软舒适、彩色的智能织物[ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 19015-19022 (2020)]，可对皮肤实现零能耗的保暖和智能温度调控。可在满足人体热舒适性需求的同时减少能源消耗，进一步推动经济环保的可穿戴技术和舒适节能的织物产业发展。陶教授与华中科技大学陈敏教授团队合作，构建了一个全面、可持续的健康监测生态系统[IEEE Network 34, 156-163 (2020)]，创造出无感知、柔性化、适应性强新一代智能传感材料，为用户提供高体验度的认知功能服务。并提出了一种新型的基于人工智能的第一视角机器人体系结构[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]，通过构建情绪矫正的学习评价模型采用强化学习算法实现了可穿戴机器人辅助的面向自闭症儿童的环境感知和表达增强机制。同时研发了可穿戴情感机器人Fitbot [IEEE Access, 6, 64766-64776 (2018)]，在满足时尚要求的基础上能在精神层面有效改善人类健康。针对负能量信息对人们精神健康的危害问题，设计了一个负向信息的度量系统用于监测用户在海量信息影响下的心理健康状况[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]。通过利用可穿戴设备其中包括脑可穿戴、可穿戴衣物、智能配件等智能传感实现对精神状态的认知，为解决心理健康问题提供有效的参考。此外，陶教授与青岛大学田明伟教授团队合作，在柔性致动器方面提出了一种基于电信号-可视化信号双通道耦合信号反馈的自感应功能集成方案[Nano Energy 76, 104926 (2020)]。在应力感知电子织物方面，构筑了“电阻式/电容式一体化”全纺织基拉力/压力双感传感织物，系统地研究了多尺度双感知阵列结构纺织品的传感响应规律，实现了竞技运动员动作与受力的同步监测[Nano Energy 85, 105941 (2021)]。（课题组网站：http://gtaolab.com/；课题组公众号：GTaoLab）

3.部分相关文献：

Zeng, S. Pian, M. Su, X. Liu, M. Wu, M. Chen, Z. Wang, Y. Xiang, J. Wu, M. Zhang, Q. Cen, Y. Tang, X. Zhou, Z. Huang, R. Wang, A. Tunuhe, X. Ma, Z. Xia, M. Tian, L. Yang, Q Yang, M. Chen, J. Zhou, H. Zhou, X. Li, Y. Ma*, G. Tao*, “Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling,” Science373, 692-696 (2021).
Ma, J. Ouyang, T. Raza, P. Li, A. Jian, Z. Li, H. Liu, M. Chen, X. Zhang, L. Qu*, M Tian*, G. Tao*, “Flexible all-textile dual tactile-tension sensors for monitoring athletic motion during Taekwondo,” Nano Energy105941 (2021).
Wang, C. Fu, R. Wang, G. Tao*, Z Xia*, "High-resilience cotton base yarn for anti-wrinkle and durable heat-insulation fabric," Compos. B. Eng.108663 (2021)
He, Y. Hou, C. Yi, N. Li, F. Sui, B. Yang, G. Gu, W. Li, Z. Wang, Y. Li, G. Tao*, L. Wei*, C. Yang*, M. Chen*,"High-performance zero-standby-power-consumption-under-bending pressure sensors for artificial reflex arc." Nano Energy 104743 (2020).
Zhao, R. Hu, X. Zhang, X. Qi, Q. Fan, M. Tian*, G. Tao*, L. Qu*, “Soft bimorph actuator with real-time multiplexing motion perception,” Nano Energy104926 (2020).
Hu*, J. Song, Y. Liu, W. Xi, Y. Zhao, X. Yu, Q. Cheng, G. Tao*, X Luo*, “Machine learning-optimized tamm tmitter for high-performance thermophotovoltaic system with detailed balance analysis,” Nano Energy72,104687 (2020).
He, Y. Hou, C. Yi, N. Li, F. Sui, B. Yang, G. Gu, W. Li, Z. Wang, G. Tao*, L. Wei*, C. Yang*, M. Chen*, "Tunable pressure sensors with ultrahigh sensitivity and wide linear response for artificial reflex arc," Nano Energy73, 104743 (2020).
Yan, C. Dong, Y. X, S. Jiang, A. Leber, G. Loke, W. Xu, C. Hou, S. Zhou, M. Chen, R. Hu, P. Shum, L. Wei, X. Jia, F. Sorin, X. Tao, G. Tao*, “Thermally drawn advanced functional fibers: New frontier of flexible electronics,”Mater. Today 35, 168-194 (2020).
Chen, Y. Jiang, N. Guizani, J. Zhou, G. Tao*, J. Yin and K. Hwang, “Living with I-Fabric: Smart living powered by sensing fabric and deep analytics”, IEEE Network34, 156-163 (2020).
Du, J. Ai, X. Zhang, Z. Ma, D. Chen, G. Tao, B. Su, “Stretchable magnetoelectric fibers for self-powered tactile sensing,” Applied Mater. Today20, 100623, (2020).
Wu, R. Hu, S. Zeng, W. Xi, S. Huang, J. Deng, and G. Tao*, “Flexible and robust biomaterial microstructured coloured textiles for personal thermoregulation,” ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 19015-19022 (2020).
Hu, S. Shin, Y. Liu, S. Huang, X. Ren, W. Shu, J. Cheng, G. Tao, W. Xu, R. Chen, X. Luo, “Emerging materials and strategies for personal thermal management,” Adv. Energy Mater. 10, 1903921(2020).
Yang. J. Zhou, G. Tao*, M. Alrashoud, K. N. Al Mutib and Al-Hammadi, "Wearable 3.0: From smart clothing to wearable affective robot," IEEE Network33, 8-14 (2019)
M Zhu, T Kikutani, T Liu, S Ramakrishna, G Tao, “Fiber changes our life,” Fiber Mater.1, 1–2(2019).
Du, S. Ye, J. Tang, S. Lv, J. Chen, J. Orava, G. Tao, P. Lan, J. Hao, Z. Yang, J. Qiu, and S. Zhou, "Scalable in-Fiber manufacture of functional composite particles," ACS Nano12, 11130-11138 (2018).
Shabahang, F. A. Tan, J. D. Perlstein, G. Tao, O. Alvarez, F. Chenard, K. L. Schepler, and A. F. Abouraddy, "Robust multimaterial chalcogenide fibers produced by a hybrid fiber-fabrication process," Opt. Mater. Express7, 2336-2345 (2017).
Tao, J. J. Kaufman, S. Shabahang, R. R. Naraghi, S. V. Sukhov, J. D. Joannopoulos, Y. Fink, A. Dogariu, and A. F. Abouraddy, “Digital design of multimaterial photonic particles,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA113, 6839-6844 (2016).
Shabahang, G. Tao, J. J. Kaufman, Y. Qiao, L. Wei, T. Bouchenot, A. P. Gordon, Y. Fink, Y. Bai, R. S. Hoy, and A. F. Abouraddy, “Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing,” Nature 534, 529-533 (2016).

浙江大学：

1.团队介绍

马耀光，浙江大学百人计划研究员、博士生导师。光电学院光电工程所书记、副所长。研究方向为介观尺度光与物质相互作用，以及微/纳米技术在光电系统中的应用。包括超构材料与超构表面器件、微纳光器件、非线性光学器件等方面。近年来在包括Science(2), Adv. Opt. Photon.国际重要学术期刊上发表40余篇高影响力学术论文，多篇为ESI高被引论文；拥有已授权国际/国内发明专利十余项。马教授为国家自然科学基金委面上项目、浙江省自然科学基金、之江实验室科研项目等科技项目担任评审专家。马教授曾获得2018年获得中国仪器仪表协会金国藩青年学子奖。2020年起担任《中国科学：技术科学》青年编委。

浙江大学马耀光教授带领的纳米光学团队（NanoOptics@ZJU）主要研究方向为介观尺度光与物质相互作用，以及微/纳米技术在光电系统中的应用。包括超构材料与超构表面器件、微纳光器件、非线性光学器件等方面。研究方向跨越了多学科的界限，涵盖了低维光子结构的基础科学探索、工程设计、制造和表征并积极追求科研成果在日常生活中的应用方向。马教授的科研工作曾被Nature, Science, Nature Photonics等多个学术期刊与福布斯(The Forbes)、经济学人(Economists)、科学美国人(Scientific American)等百余家专业新闻媒体报道。

2.团队在该领域的工作汇总

马教授2017年在科罗拉多大学工作时发表的辐射制冷薄膜论文是世界上最早实现可批量制备的日间辐射制冷材料之一。该项工作入选英国物理协会(IOP)旗下 Physics World 杂志评选“Breakthrough of the Year 2017”。马耀光团队的工作还包括可调谐半导体纳米线激光器(ACS Nano, 13 (9), 9965-9972 (2019)；Advanced Optical Materials, 7, 1900275 (2019))、半导体纳米线生物探针(ACS Photonics 3, 1762–1767 (2016))、二维材料器件及物理(ACS Nano 8, 2584-2589 (2014), Scientific Reports 5, 8440 (2015))、超分辨显微术(Laser & Photonics Reviews 1900011. (2020). )等。个人主页（https://person.zju.edu.cn/myg）

3.部分相关文献：

Zeng, S. Pian, M. Su, X. Liu, M. Wu, M. Chen, Z. Wang, Y. Xiang, J. Wu, M. Zhang, Q. Cen, Y. Tang, X. Zhou, Z. Huang, R. Wang, A. Tunuhe, X. Ma, Z. Xia, M. Tian, L. Yang, Q Yang, M. Chen, J. Zhou, H. Zhou, X. Li, Y. Ma*, G. Tao*, “Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling,” Science373, 692-696 (2021).
Zhou, Y. Li, Y. Ma, Q. Yang, Q. Liu, 'Broadband noise-like pulse generation at 1 µm via dispersion and nonlinearity management,' Optial Letters46, 1570-1573 (2021).
Ullah, S. Pian, S. Dai, F. Wang, Y. Ma*, Y. Yang*, Q. Single-mode semiconductor nanowire lasers with coupled cavities. Frontiers in Chemistry8, 1260 (2021).
Tang, X. Liu, Z. Wen, F. Lin, C. Meng, X. Liu*, Y. Ma*, Q. Yang* 'Far-field super-resolution imaging via spatial frequency modulation,' Laser & Photonics Reviews1900011 (2020).
Zhou, X. Wang, Y. Ma, B. Hu*, J. Zhou* ' Transparent polymer coatings for energy-efficient daytime windows cooling,' Cell Reports Physical Science1, 100231 (2020).
Liu, Y. Ma* 'One-dimensional plasmonic sensors,' Frontiers of Physics, 8, 312 (2020).
Zhu, W. Ma, Y. Su, Z. Chen, X. Chen, Y. Ma, L. Bai, W. Xiao, T. Liu, H. Zhu, X. Liu, H. Liu, X. Liu, Y. Yang* 'Low-dose real-time X-ray imaging with nontoxic double perovskite scintillators,' Light: Science and Applications9, 112 (2020).
Liu, S. Pian, R. Zhou, H. Shen, X. Liu, Q. Yang, Y. Ma* 'Tunable radiative cooling based on stretchable selective optical filter,' Journal of the Optical Society of America B, Accepted (2020).
Pian, S. U. Pianllah, Q. Yang, Y. Ma* 'Single-Mode Semiconductor Nanowire Lasers,' Chinese Journal of Lasers, 47, 0701003 (2020).
Geng, Z. Wang, Y. Ma*, F. Gao* 'Topological surface plasmon polaritons,' Acta Physica Sinica68, 224101 (2019).
Gao, Z. Wang, D. Ding, W. Li, Y. Ma*, Y. Hao* and H. Zhang*, 'Novel Methods to Harness Solar Radiation for Advanced Energy Applications', ES Energy Environ., 5, 1-7 (2019).
Zhuge, C. Pan, Y. Zheng, J. Tang, S. Ullah, Y. Ma*, Q. Yang*, 'Wavelength‐Tunable Micro/Nanolasers', Advanced Optical Materials,7, 1900275 (2019).
Liu, C. Meng, X. Xu, M. Tang, C. Pang, Y. Ma, Y. Shi, Q. Yang, X. Liu, C. F. Kaminski, 'Wide-field 3D nanoscopy on chip through large and tunable spatial-frequency-shift effect', arXiv preprint arXiv:1906.11647, (2019).
Zhuge, Z. Yang, J. Zhang, Y. Zheng, Q. Song, C. Pang, X. Liu, S. Ullah, C. Pan, N. Raghavan, X. Zhang,H. Li, Y Ma*, Q. Yang*, T. Hasan, 'Fiber-Integrated Reversibly Wavelength-Tunable Nanowire Laser Based on Nanocavity Mode Coupling', ACS Nano, 13, 9965-9972 (2019).
Xu, X. Liu, C. Pang, Y. Ma, C. Meng, J. Zhang, X. Liu, Q. Yang 'Si3N4 waveguide platform for label-free super-resolution imaging: simulation and analysis', Journal of Physics D: Applied Physics,52, 284002 (2019).
D Zhao, CE Martini, S Jiang, Y Ma, Y Zhai, G Tan, X Yin, R Yang，'Development of a Single-Phase Thermosiphon for Cold Collection and Storage of Radiative Cooling', Applied Energy 205 (NREL/JA-5500-70195), 1260-1269
Zhai#, Y. Ma#, (contributed equally to the work) S. N. David, D. Zhao, R. Lou, G. Tan, R. Yang, and X. Yin, “Scalable-Manu factured Randomized Glass-Polymer Hybrid Metamaterial for Day-time Radiative Cooling,' Science, 355, 1062-1066 (2017).
Yao, L. Li, L. Qin, Y. Ma, W. Wang, H. Meng, W. Jin, Y. Wang, W. Xu, G. Ran, L. You and G. Qin, 'Efficient small molecular organic light emitting diode with graphene cathode covered by an Sm layer with nanohollows and n-doped by Bphen:Cs2CO3 in the hollows,' Nanotechnology28, 105201 (2017).
Ma, Q. Huang, T. Li, J. Villanueva, N. H. Nguyen, J. Friend, and D. J. Sirbuly, 'a local nanofiber optic ear,' ACS Photonics3, 1762–1767 (2016).