崔屹Science重磅来袭：纳米聚乙烯织物“智能”辐射降温，我们离凉爽的夏天还远吗？（附视频）

【引言】

能量消耗是人类21世纪面临的两大问题之一，房间的加热和制冷占居民和商业能量消耗的大部分，在美国占能量消耗的12.3%。减少室内温度调节能很大程度上减少全球能量的消耗。“个人热管理”只对人体和特定的环境进行温度的调控，与传统调节室内温度相比这种方法能有着更高的能量利用率。为了实现“个人热管理”，必须更好的控制室内人体热耗散的过程。

【成果介绍】

最近，斯坦福大学崔屹教授等在Science上报道了一种纳米聚乙烯（nanoPE）材料，可作为夏天给人体降温的红外辐射散热织物材料。皮肤是良好的红外发射器，能确保红外耗散的进行，设置一个合适的冷却点，就能达到让人体舒适的目的。一般材料中有较多基团的吸收如N-H、C-O等，其红外光的透过率很低，然而PE（聚乙烯）的红外吸收峰很窄，并且与人体辐射出的射线吸收峰相隔很远，对红外光的吸收较弱，因此能确保较大的红外透过率，十分适合作为红外辐射散热织物材料。并且nanoPE有着直径为50-1000nm的连接孔，孔的尺寸远小于红外波的长度，所以nanoPE有着较高的红外透过率。但是nanoPE透水性和透气性较差，于是将nanoPE表面改性为亲水性后，连接孔就能确保空气的透过性和排汗。将PDA（聚多巴胺）包覆在nanoPE上，可以确保nanoPE的“可穿”性能。需要指出的是，将nanoPE应用于衣物之中仍有很多的挑战（如nanoPE织物的可洗次数等），想实现“凉爽的夏天”还需要科研工作者们继续努力。

【图文导读】

图1 nanoPE的光学性能和形貌

图A为作者建立的模型，空气温度调控点与红外透过率的关系。表明聚乙烯膜有着较高的红外透过率，能在较高温度对温度进行调控。

图B为nanoPE、通用PE与通用织物的红外透过率测试原理对比图。只有nanoPE能较好的满足红外透过率的要求，且对光不透明，而且能够与体外形成空气流通。

图C为nanoPE红外以及可见光透过率的模拟，其中nanoPE的孔径为400 nm，厚度为12 mm，黄色阴影区域表示人体辐射。

图D表示为基于人体辐射的各种孔径的模拟加权平均透射比，随着孔径的增大，平均透光率从> 90%下降到80%，从而开始影响人体辐射的传输。

图E为商业nanoPE的照片。

图G为高分辨率的扫描电镜图像，孔的直径仅为50-1000 nm，这是保证高的红外透过率的关键。

图H表明对nanoPE进行可见浑浊度测定，其与棉花一样具有不透明性。

图2 不同织物样品的热性能

图A,B,C为模拟人体放热不同样品的降温效果，nanoPE的降温效果为最好，与人体温度最为接近。

A图为模拟人体加热装置图，使用产生恒定的加热功率的加热元件来模拟人体皮肤，并用热电偶测量“皮肤温度”。较低的皮肤温度意味着更好的冷却效果。

B图为模拟温度不同材料下的皮肤温度，nanoPE因其有着更高的红外透过率而具有更好的冷却效果。

C图为不同样品的相对热量分布图，只有nanoPE才能显示出H型的金属模型。

图3 改性后的nanoPE作为衣物的性能

图A为对PDA包覆nanoPE材料改性流程图，满足nanoPE作为织物的性能。

图B为不同nanoPE的水蒸气透过率，表明在自然环境下纳米孔能够满足水蒸气的渗透。

图C表明PDA-nanoPE-mesh、PDA-nanoPE有着与棉相似的空气透过率。

图D中可知，棉具有最高的毛细作用，PDA-nanoPE-mesh由于PDA的双层结构具有相近的毛细作用。毛细作用能够使得汗液挥发，衣物有较好的舒适度。

图E为不同织物的机械强度，PDA-nanoPE-mesh的机械强度能够满足纤维的加工。

图4 PDA-nanoPE-mesh的性能

图A表示为增加透气性能的小孔，基本上从肉眼上观察不到。

图B,C为不同织物材料之间光学性能的对比。

图D为不同织物材料中热性能的对比。

通过性能的比较，nanoPE是一种作为“个人热管理”的红外透过织物较好的材料。

我们来一起看看这款神奇织物的原理。

【展望】

本研究通过改变nanoPE的加工方法来改善潜在的“可穿”性能是很有意义的，可以加快nanoPE在衣物中的应用进程。尽管PDA-nanoPE-mesh的织物很稳定，但是汗水蒸发、洗涤次数、耐磨次数和紫外吸收等性能还有待提高，要将其应用于实际生活中还需要科研工作者们不断努力。

文献链接：Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile （Science, 2016, DOI : 10.1126/science.aaf5471）

Science同期perspective：Nanoporous fabrics could keep you cool（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah5577）

Science视频报道：Video: The only thing cooler than this new fabric is no fabric（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah7252）

本文由材料人高分子材料学习小组成员Andy_chen供稿，材料牛编辑整理。

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