華科&浙大Science:新型衣服材料助力體感溫度最高降低4.8℃

CYM 2年前 (2021-08-22) 4457瀏覽

【引言】

隨著全球變暖加劇，室外溫度不斷提高，暴露在戶外環境中的人們如何實現零能耗防護成為研究熱點。個人熱管理（PTM）作為一種新興技術，能夠對人體周圍小范圍內的微環境進行局部熱量調控，在降低能耗的同時，按照需求調節制冷和保溫功率，從而實現高效熱舒適。然而，能源消耗問題和PTM系統設計的挑戰尚未解決。輻射制冷是克服這些障礙的一種很有前途的制冷技術，其通過大氣透明窗口將熱量直接輻射到外層空間，以實現零能耗的被動制冷。近年來，利用納米光子結構（如光子晶體、超材料和隨機介質）同時增強太陽反射與中紅外熱輻射的日間輻射制冷裝置和系統已被廣泛研究。然而，迄今為止的大多數輻射制冷結構（薄膜或涂層等）仍具有較低的可穿戴性，限制其直接應用于PTM系統。作為保護皮膚免受外部環境影響的主要媒介，織物是實現日間輻射制冷個人熱管理的絕佳選擇。基于輻射制冷的個人熱管理織物，將通過強烈反射太陽輻射阻擋熱量輸入，同時在中紅外波段強烈輻射熱量，以維持日間陽光直射環境下的有效制冷，有望顯著提高人體熱舒適。且整個過程中不需要外部能量輸入，從而具備傳統耗能熱管理技術所不具備的優點。

近日，華中科技大學陶光明教授和浙江大學馬耀光教授將被動輻射制冷結構引入個人熱管理技術，有效地保護人體免受日益加劇的全球氣候變化的影響。具體來講，作者設計了一種具有分級形態結構的超材料織物，織物主體由氧化鈦-聚乳酸（TiO₂-PLA) 復合纖維編織而成，其上層壓了一層厚度約為50?μm的聚四氟乙烯 (PTFE) 服裝膜。超材料織物在太陽輻射波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率，在中紅外波段（8-13 μm）具有94.5%的發射率。同時，通過可批量生產的工業紡織品制造路線，織物展現出可與商業服裝比擬的機械強度，防水性和透氣性，并具備高效的輻射冷卻能力。實際應用測試表明，與商用白色棉織物相比，使用本文的超織物對人體皮膚表面最高降溫可達約4.8℃（廣州，2020年12月7日）。這項技術基于結構設計，精準化光學響應，使黑體輻射趨于極限，驗證了優異的輻射制冷效果，具備低成本、可規模化制備和產業化等優勢。相關研究成果于2021年7月以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”為題發表在Scienc上。

【圖文導讀】

圖一、超材料織物的結構和模擬性能（A）用于日間輻射制冷的超材料織物示意圖；

（B）計算超材料織物中的不同尺寸散射體的散射和吸收效率；

（C）計算相同摻雜濃度（15%）下，具有不同厚度和TiO₂粒徑的超材料織物的太陽反射率（0.3-2.5 μm?）；

（D）具有優化粒徑分布及給定體積分數的PTFE和TiO₂納米顆粒的散射系數以及實驗測量得到的超織物及其子結構的太陽輻射波段反射率曲線；

（E）不同的熱對流系數下，在34℃的皮膚溫度和 22℃的環境溫度下計算得到的超材料織物的凈制冷能力與織物厚度的關系。

圖二、超材料織物的制備和表征

（A）超材料織物的制備流程示意圖；

（B）超材料纖維的光學照片；

（C）超材料纖維強度與伸長率的機械強度測試；

（D）超材料纖維縫紉效果圖；

（E）超材料織物的光學照片 (0.3?m ×?15?m)；

（F）超材料織物、棉、氨綸、雪紡、亞麻和防曬服的拉伸強度測試；

（G）超材料織物的上表面和下表面的形貌；

（H）超材料織物的防水性和透氣性展示照片；

（I）超材料織物（0.3-2.5μm）的反射率和發射率光譜。

圖三、超材料織物的降溫性能測試（A，B）輻射制冷性能測試裝置的示意圖和照片；

（C）測試裝置結構示意圖和樣品照片；

（D）輻射制冷性能測試的連續溫度測量；

（E）模擬人體皮膚降溫測試裝置結構示意圖和測試織物樣品照片；

（F）模擬人體皮膚降溫對比測試曲線圖。

圖四、陽光暴曬下超材料織物的實用性能表征（A）人體和汽車模型的超材料織物降溫測試示意圖；

（B）在陽光直射下不同織物覆蓋皮膚的溫度測試曲線；

（C）人體體表降溫對比測試紅外圖（左邊為棉，右邊為Metafabric）；

（D）不同覆蓋情況下的模擬汽車降溫對比測試曲線。

【小結】

綜上所述，超材料織物展現出高效的輻射制冷性能，并為PTM應用提供了必要的透氣性和穿戴舒適性。與薄膜或涂層等形態相比，編織結構使超材料織物能夠輕松適應復雜的變形（彎曲、拉伸和扭曲），從而與多種物體表面相兼容。通過刺繡、剪裁和縫紉，可以使其融入不同應用場景，如服裝、帳篷、車罩、窗簾、遮陽篷等。此外，通過對纖維結構特性的進一步優化和探索，研究人員有望利用輻射制冷和汗液蒸發的共同作用來提高制冷效率。雖然本文還沒有深入探索顏色兼容的輻射制冷功能以及制冷功率調制，但基于分級形態設計的理念，應用第四級染色層以及非對稱的光子學結構將有望解決上述挑戰。

華中科技大學：

1.團隊介紹

陶光明，華中科技大學武漢光電國家研究中心和材料科學與工程學院雙聘教授、博士生導師、華中學者特聘崗教授、人機智能交互聯合實驗室主任。陶教授致力于研究多材料特種光纖、面向腔內精準微創手術的柔性纖維醫療機器人以及康養全場景的智能織物技術等跨學科研究工作，先后在Science (1), Nature (2), Proc. Natl. Acad. Sci. (2)等國際學術雜志發表論文60余篇，擁有已授權國際/國內發明專利近20項、申請國家發明專利近60項（其中專利許可轉讓9項）。陶教授為國家自然科學基金委面上項目、之江實驗室重大科研項目和陳嘉庚青年科學獎等科技項目擔任評審專家、任中國材料研究學會纖維材料改性與復合技術分會理事會副主任、中國紡織科學研究院智能織物工作室主任、中國光學學會紅外與光電器件專業委員會委員、中國紅外醫學產業技術創新戰略聯盟獨立委員、湖北省硅酸鹽學會理事、激光與光電子學進展期刊編委、Advanced Fiber Materials期刊副主編等。在智能纖維和織物領域的科研工作受到新華社、人民日報、學習強國、Science?News、美國化學學會、美國物理學會等主流媒體的廣泛關注。

華中科技大學陶光明教授帶領的先進功能纖維研究中心（Center for Advanced Functional Fibers, CAFF）致力于多材料特種光纖、面向腔內精準微創手術的柔性纖維醫療機器人以及康養全場景的智能織物技術等跨學科研究工作。CAFF團隊堅持“四個面向”，旨在將具有不同的電、光、熱和機械性能的材料集成到具有復雜結構和多種功能的單個纖維中，為在多個領域中的擴展應用提供新的機會，使纖維在未來更加無縫地融入日常生活。課題組目前已形成一支包含博士生、碩士生、本科生、技術工程師、專職科研秘書等在內的完整科研梯隊，已搭建具有國際一流水準的智能纖維制造科研平臺。

2.團隊在該領域的工作匯總

陶教授在加入華中科技大學后，帶領的科研團隊在相關領域發表了一系列的工作：制備了一種輕質防水、柔軟舒適、彩色的智能織物[ACS Appl. Mater. Interfaces?12, 19015-19022 (2020)]，可對皮膚實現零能耗的保暖和智能溫度調控。可在滿足人體熱舒適性需求的同時減少能源消耗，進一步推動經濟環保的可穿戴技術和舒適節能的織物產業發展。陶教授與華中科技大學陳敏教授團隊合作，構建了一個全面、可持續的健康監測生態系統[IEEE Network 34, 156-163 (2020)]，創造出無感知、柔性化、適應性強新一代智能傳感材料，為用戶提供高體驗度的認知功能服務。并提出了一種新型的基于人工智能的第一視角機器人體系結構[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]，通過構建情緒矯正的學習評價模型采用強化學習算法實現了可穿戴機器人輔助的面向自閉癥兒童的環境感知和表達增強機制。同時研發了可穿戴情感機器人Fitbot [IEEE Access, 6, 64766-64776 (2018)]，在滿足時尚要求的基礎上能在精神層面有效改善人類健康。針對負能量信息對人們精神健康的危害問題，設計了一個負向信息的度量系統用于監測用戶在海量信息影響下的心理健康狀況[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]。通過利用可穿戴設備其中包括腦可穿戴、可穿戴衣物、智能配件等智能傳感實現對精神狀態的認知，為解決心理健康問題提供有效的參考。此外，陶教授與青島大學田明偉教授團隊合作，在柔性致動器方面提出了一種基于電信號-可視化信號雙通道耦合信號反饋的自感應功能集成方案[Nano Energy?76, 104926 (2020)]。在應力感知電子織物方面，構筑了“電阻式/電容式一體化”全紡織基拉力/壓力雙感傳感織物，系統地研究了多尺度雙感知陣列結構紡織品的傳感響應規律，實現了競技運動員動作與受力的同步監測[Nano Energy?85, 105941 (2021)]。（課題組網站：http://gtaolab.com/；課題組公眾號：GTaoLab）

3.部分相關文獻：

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).

浙江大學：

1.團隊介紹

馬耀光，浙江大學百人計劃研究員、博士生導師。光電學院光電工程所書記、副所長。研究方向為介觀尺度光與物質相互作用，以及微/納米技術在光電系統中的應用。包括超構材料與超構表面器件、微納光器件、非線性光學器件等方面。近年來在包括Science(2), Adv. Opt. Photon.國際重要學術期刊上發表40余篇高影響力學術論文，多篇為ESI高被引論文；擁有已授權國際/國內發明專利十余項。馬教授為國家自然科學基金委面上項目、浙江省自然科學基金、之江實驗室科研項目等科技項目擔任評審專家。馬教授曾獲得2018年獲得中國儀器儀表協會金國藩青年學子獎。2020年起擔任《中國科學：技術科學》青年編委。

浙江大學馬耀光教授帶領的納米光學團隊（NanoOptics@ZJU）主要研究方向為介觀尺度光與物質相互作用，以及微/納米技術在光電系統中的應用。包括超構材料與超構表面器件、微納光器件、非線性光學器件等方面。研究方向跨越了多學科的界限，涵蓋了低維光子結構的基礎科學探索、工程設計、制造和表征并積極追求科研成果在日常生活中的應用方向。馬教授的科研工作曾被Nature, Science, Nature Photonics等多個學術期刊與福布斯(The Forbes)、經濟學人(Economists)、科學美國人(Scientific American)等百余家專業新聞媒體報道。

2.團隊在該領域的工作匯總

馬教授2017年在科羅拉多大學工作時發表的輻射制冷薄膜論文是世界上最早實現可批量制備的日間輻射制冷材料之一。該項工作入選英國物理協會(IOP)旗下 Physics World 雜志評選“Breakthrough of the Year 2017”。馬耀光團隊的工作還包括可調諧半導體納米線激光器(ACS Nano, 13 (9), 9965-9972 (2019)；Advanced Optical Materials, 7, 1900275 (2019))、半導體納米線生物探針(ACS Photonics 3, 1762–1767 (2016))、二維材料器件及物理(ACS Nano 8, 2584-2589 (2014), Scientific Reports 5, 8440 (2015))、超分辨顯微術(Laser & Photonics Reviews 1900011. (2020). )等。個人主頁（https://person.zju.edu.cn/myg）

3.部分相關文獻：

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).