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輻射制冷(Radiative Cooling，名詞解釋)是物體以中紅外輻射形式向外釋放熱量，實(shí)現(xiàn)零能耗的降溫的過(guò)程。由于大氣透明窗口(ATSW, λ~8-13 μm, 名詞解釋 )的存在，處于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波可以直接穿過(guò)大氣層到達(dá)宇宙空間。同時(shí)，包括人體在內(nèi)的地表常溫物體的黑體輻射光譜（7-13 μm）與大氣透明窗口基本重疊，使得該技術(shù)具有可觀的制冷功率。

自然界中，撒哈拉銀蟻具有密集排列的獨(dú)特三角形毛發(fā)的體表，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱輻射和可見(jiàn)光的選擇性光譜調(diào)控，使它們能夠在非洲沙漠的惡劣溫度條件下生存。

隨著近幾年微納光學(xué)的發(fā)展，研究人員能夠利用波長(zhǎng)/亞波長(zhǎng)尺度的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中紅外波段和太陽(yáng)輻射波段的選擇性光譜調(diào)控。已有多種高效率、低成本、可批量制備的輻射制冷系統(tǒng)有望成為傳統(tǒng)耗能熱管理技術(shù)極具潛力的替代及補(bǔ)充方案。

基于輻射制冷技術(shù)的人體熱管理織物（即輻射制冷織物）在近年來(lái)也被廣泛研究，并在節(jié)能、生命安全等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

不過(guò)，目前的輻射制冷織物，其結(jié)構(gòu)的調(diào)控方式相對(duì)單一，采用不同種類的聚合物所實(shí)現(xiàn)的光譜調(diào)控范圍主要集中在中紅外波段。太陽(yáng)輻射波段的吸收，使得織物在戶外陽(yáng)光直射的炎熱環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效制冷。

而對(duì)太陽(yáng)輻射波段的高效調(diào)控，往往需要在織物內(nèi)部引入如空氣孔、介質(zhì)顆粒、聚合物納米纖維等納米結(jié)構(gòu)。但是，低散射效率、強(qiáng)紫外吸收，以及與紡絲、織造等技術(shù)兼容性差等因素，使得這些方案在實(shí)現(xiàn)高太陽(yáng)反射率的輻射制冷織物時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)。

近日，華中科技大學(xué)陶光明教授與浙江大學(xué)馬耀光教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)紡織科學(xué)研究院生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室智能織物工作室等多家科研和產(chǎn)業(yè)單位進(jìn)行交叉學(xué)科聯(lián)合創(chuàng)新，基于輻射制冷原理和結(jié)構(gòu)分級(jí)設(shè)計(jì)理念，研發(fā)了具有形態(tài)分級(jí)(Hierarchical-morphology)結(jié)構(gòu)的超材料織物(Metafabric)，在戶外暴曬環(huán)境可為人體表面降溫近5℃。

圖1：研究人員展示具有形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)的超材料織物

研究成果以 Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling 為題于2021年7月8日在線發(fā)表在Science。

從輻射制冷原理和服用聚合物材料特性研究出發(fā)，將光學(xué)超材料技術(shù)與批量制備技術(shù)相結(jié)合對(duì)紡絲、紡紗、織造、層壓整個(gè)工藝流程進(jìn)行探索和調(diào)控，以匹配纖維力學(xué)性能、織物服用性能以及光學(xué)性能的要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定制備?；诓牧?光學(xué)-紡織技術(shù)的跨領(lǐng)域、多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，超材料織物在不同空間和不同尺度上進(jìn)行分級(jí)，形成了一種宏觀有序、微觀隨機(jī)的形態(tài)學(xué)分級(jí)體系。

圖2：超材料織物原理圖

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(nèi)部復(fù)合高折射率納米散射介質(zhì)，織物上部層壓透氣防水的服裝膜。全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將從太陽(yáng)輻射波段到中紅外波段（0.3-25 μm）的光譜分為三個(gè)波段，交由超材料織物中的不同級(jí)次響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)紫外、可見(jiàn)-近紅外及中紅外波段的寬光譜精準(zhǔn)調(diào)控，為metafabric提供了92.4%的高太陽(yáng)光反射率和94.5%的高中紅外發(fā)射率。

圖3：超材料纖維及織物照片

獨(dú)特形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予超材料織物良好的制冷性能（圖4）。研究團(tuán)隊(duì)制作一半棉、一半超材料織物的自制背心進(jìn)行實(shí)際人體皮膚測(cè)試（西雙版納，2020年12月13日），并用紅外相機(jī)記錄全程的溫度變化情況，測(cè)試結(jié)束后脫下背心，志愿者前胸左右兩邊呈現(xiàn)明顯溫差，相較于商用白色棉織物，覆蓋超材料織物的人體表面降溫近5 ℃。在模擬汽車測(cè)試中（廣州，2020年12月7日），覆蓋超材料織物的汽車模型內(nèi)部溫度，相較于覆蓋商用車罩的模型可降溫超過(guò)27 °C，相較于無(wú)織物覆蓋的模型可降溫超過(guò)30 °C。

圖4：陽(yáng)光直射下超材料織物的制冷性能

超材料織物不僅在暴曬環(huán)境下展示了高效的無(wú)源降溫效果，且易于與各類物體表面相結(jié)合，可與眾多應(yīng)用場(chǎng)景相兼容，以保護(hù)暴露于天空下、受到陽(yáng)光損害的人和物體。另外，超材料與成熟的現(xiàn)代紡織工業(yè)技術(shù)完全兼容，具備低成本、可批量制備等特征，適合大規(guī)模推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，零能耗地滿足人們對(duì)于戶外環(huán)境的降溫需求。

本研究通過(guò)光子學(xué)調(diào)控，對(duì)微環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效的熱學(xué)管理。所提出的超材料織物具有優(yōu)異的制冷性能和服用性能，將進(jìn)一步助力國(guó)家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化戰(zhàn)略，服務(wù)于生產(chǎn)生活的多種場(chǎng)景需求中。

論文信息：

Science 08 Jul 2021: eabi5484

論文地址:

https://doi.org/10.1126/science.abi5484

編輯 | 趙陽(yáng)

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