盡管發(fā)生了具有降溫效應(yīng)的拉尼娜事件，2020年仍是全球自有記錄以來最暖的三個(gè)年份之一。2021年入夏以來，多國遭受創(chuàng)記錄的強(qiáng)勁熱浪襲擊。當(dāng)極端天氣越來越頻繁，除了減緩人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化，適應(yīng)極端氣溫帶來的影響亦刻不容緩。為了幫助人們應(yīng)對(duì)全球變暖背景下的戶外極端氣候條件，基于輻射制冷技術(shù)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(duì)人體進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)以提高舒適度，達(dá)到“自降溫”的效果。

在近期發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志的論文中，華中科技大學(xué)陶光明團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)馬耀光教授團(tuán)隊(duì)、中國紡織科學(xué)研究院陶光明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，顛覆傳統(tǒng)制冷理念，基于與人們?nèi)粘Ｉ钭蠲懿豢煞值姆b，研發(fā)了在陽光直射的室外環(huán)境下可無源使用的隨身“空調(diào)”——無源制冷光學(xué)超材料織物（Metafabric），戶外暴曬環(huán)境可為人體表面降溫近5℃。

“可以把它想象成一個(gè)不用電的空調(diào)?！北炯夹g(shù)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人華中科技大學(xué)陶光明教授對(duì)澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）表示，該材料基于輻射制冷原理和結(jié)構(gòu)分級(jí)設(shè)計(jì)理念，防曬同時(shí)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%，不僅適用于運(yùn)動(dòng)員、清潔工、快遞員和抗疫醫(yī)護(hù)工作者等戶外降溫需求迫切的目標(biāo)人群，也是普通人享受得起的科技新材料。

超材料織物照片

可無源使用的隨身“空調(diào)”，從何而來？

人體熱量從皮下組織傳導(dǎo)到皮膚，再通過衣物向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，從而維持動(dòng)態(tài)熱平衡和相對(duì)穩(wěn)定的體溫。因此，通過衣物進(jìn)行個(gè)人熱管理是維持人體個(gè)性化熱舒適需求的有效方法。目前，基于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的設(shè)計(jì)能夠相對(duì)有效地實(shí)現(xiàn)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(xué)-紡織技術(shù)的跨領(lǐng)域多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新。

在烈日炎炎的午后，隔熱和降溫是如何同步實(shí)現(xiàn)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(huì)在中午陽光最強(qiáng)烈時(shí)在沙漠里覓食，彼時(shí)地表溫度超過70攝氏度。銀蟻身體頂部和側(cè)邊所覆蓋的獨(dú)特三角形橫截面毛發(fā)就像一種反射涂層，使其能在反射太陽光照射的同時(shí)，將熱量高效輻射到溫度接近絕對(duì)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(huì)吸收不同波長的電磁波。但精妙的是，由于大氣透明窗口（8-13 μm）的存在，地球表面處于該波長范圍內(nèi)的電磁波可以直接穿過大氣層到達(dá)宇宙空間。

該論文共同通訊作者、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院馬耀光教授對(duì)澎湃新聞解釋稱，超材料織物對(duì)太陽光光譜有很好的反射效果。通過分級(jí)形態(tài)設(shè)計(jì)，該織物能夠拓寬隨機(jī)結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)范圍，實(shí)現(xiàn)分波段波長的反射效果。同時(shí)，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(duì)零度空間，實(shí)現(xiàn)制冷。

用于日間輻射冷卻的超材料織物原理示意圖

對(duì)于上述原理，陶光明教授在接受媒體采訪時(shí)用了一個(gè)更通俗的比喻：穿在身上就像背著一面鏡子，又外掛一臺(tái)空調(diào)。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(gè)納米迷宮，陽光照射進(jìn)來，不斷折射、拐彎，最后反射出去?？照{(diào)，不是說衣服里有一個(gè)制冷設(shè)備，而是利用宇宙背景的絕對(duì)低溫冷源，保持與它的熱交換通道的暢通。

輻射制冷技術(shù)常被用在涂層或是薄膜上，但要使該技術(shù)與織物完美兼容，仍具有挑戰(zhàn)。該論文共同第一作者之一、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生片思杰對(duì)澎湃新聞解釋說，超材料織物的突破性在于，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將反射率提高到90%以上；可實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)；與以往的輻射制冷材料相比，穿戴舒適性、透氣性大大增強(qiáng)。

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)將從太陽輻射波段到中紅外波段（0.3-25μm）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-近紅外及中紅外波段的寬光譜精準(zhǔn)調(diào)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(fā)射率。

在無源輸入條件下，超材料織物可實(shí)現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度2-10℃的制冷效果。馬耀光教授說，根據(jù)環(huán)境條件的不同，降溫效果會(huì)呈現(xiàn)差異。上述降幅意味著，該材料具有較好的輻射制冷性能。

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

論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，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，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 ℃（廣州，2020年12月7日）。后續(xù)研究團(tuán)隊(duì)與2020年12月13日在西雙版納再次進(jìn)行測(cè)試，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。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27 °C，相較于無織物覆蓋的模型可降溫超過30 °C。

性價(jià)比如何？量產(chǎn)后將成為平價(jià)產(chǎn)品

近年來，關(guān)于降溫織物材料的科研成果頻出。比如，2016年斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)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(xué)歐陽敏教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明的織物利用織物本身收縮性，通過外界和身體之間通風(fēng)實(shí)現(xiàn)更好的散熱效果。

馬耀光教授認(rèn)為，這些發(fā)明是以不同思路達(dá)到同樣的結(jié)果；在應(yīng)用層面，不同環(huán)境中可能會(huì)有不同的需求?！八麄儗?shí)際上是一個(gè)互為補(bǔ)充的關(guān)系?！逼湓u(píng)價(jià)道。

該項(xiàng)目從最初研發(fā)啟動(dòng)、有望推廣到實(shí)際產(chǎn)出超材料面料，歷時(shí)三年左右。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎?，從一開始選材，到材料處理，再到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，過程中遇到過大大小小不計(jì)其數(shù)的挑戰(zhàn)。

比如理論上設(shè)計(jì)的比例在實(shí)際中可能做不到。在投入生產(chǎn)時(shí)，工業(yè)化大生產(chǎn)的設(shè)備無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的精度?！斑@時(shí)需要很多經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人一起協(xié)助我們，中國紡織科學(xué)技術(shù)研究院于2019年年底成立了陶光明智能織物工作室，對(duì)項(xiàng)目的推動(dòng)提供了很大幫助?！碧展饷鹘榻B說，從樣品的加工到測(cè)試，也是克服了許多困難，比如生產(chǎn)用的工業(yè)設(shè)備會(huì)有一些雜質(zhì)污染材料，要想辦法將雜質(zhì)去掉。科研團(tuán)隊(duì)在工藝上做了很多摸索，將問題逐一破解?！?/p>

“卡殼的問題太多了，每往前推進(jìn)一步就會(huì)遇到一些問題?！闭撐牡谝蛔髡摺⑷A中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心碩士生曾少寧對(duì)澎湃新聞回憶稱，從纖維到編織，團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)了不少時(shí)間?？蒲羞M(jìn)度還受到了突然爆發(fā)的新冠疫情影響。2020年10月左右，團(tuán)隊(duì)初步制出初代織物，開始測(cè)試?！盀榱藢?shí)現(xiàn)光學(xué)性能和織物服用性能的最佳匹配，我們根據(jù)編織過程的反饋我們又重新調(diào)整纖維的制備，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，反復(fù)優(yōu)化?！?/p>

最終，在跨多學(xué)科的交叉協(xié)同創(chuàng)新下，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了從“一顆聚合物顆?！钡健耙痪沓牧厦媪稀钡拈L鏈條征程。

華中科技大學(xué)陶光明（中間左）、浙江大學(xué)馬耀光（中間右） 及部分研發(fā)人員

成本低，是超材料織物的一大優(yōu)勢(shì)。據(jù)馬耀光介紹，相比于普通織物，超材料織物所制備的成衣，其預(yù)計(jì)價(jià)格與普通衣服相差不大。這也意味著，與目前價(jià)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(duì)社會(huì)可能會(huì)有一些更有意義的價(jià)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其也能與商業(yè)縫紉技術(shù)兼容，進(jìn)行刺繡、切割與縫制。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(jìn)一步探索。

武漢光電國家研究中心發(fā)布的一篇介紹文章稱，除了論文中所公開的測(cè)試結(jié)果，超材料織物團(tuán)隊(duì)對(duì)降溫口罩的初步樣品也進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，相比之下超材料織物具有優(yōu)異的性能，可以在多種場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前疫情防控形勢(shì)下，醫(yī)護(hù)工作者穿戴悶熱的口罩與防護(hù)服為人們進(jìn)行病毒檢測(cè)和疫苗注射。目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將超材料織物成功應(yīng)用于防護(hù)口罩和防護(hù)服，與傳統(tǒng)醫(yī)用防護(hù)材料相比，防護(hù)用降溫紡織品材料成功實(shí)現(xiàn)了戶外的有效降溫（2-5攝氏度），進(jìn)一步研發(fā)后有望在保持防護(hù)服防護(hù)的基礎(chǔ)上讓醫(yī)護(hù)工作者具有更好的熱舒適。

“現(xiàn)在聯(lián)系我們的人有點(diǎn)多?！睋?jù)陶光明教授透露，從項(xiàng)目開始至今，已有大量化纖制造、紡紗紡織、時(shí)尚服飾等領(lǐng)域的行業(yè)巨頭主動(dòng)對(duì)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(tuán)隊(duì)研究的原材料之一。“我們現(xiàn)在也在做滌綸、氨綸、尼龍等，都做得非常順利。這些是年產(chǎn)量非常龐大的化纖材料?！碧展饷鞅硎?。