华科大研发无源制冷超材料织物，可为人体表面降温近5℃，辐射制冷领域又一重要进展 | 专访
新型冠状肺炎的阴霾至今仍未完全驱散，为抗击疫情，全球医护工作者不得不穿戴着闷热的防护服和口罩，为人们进行病毒检测和疫苗注射。
近年来，通过织物内部波长或亚波长尺度的微结构，以实现对太阳辐射波段和红外波段的光谱调控的辐射制冷织物，在“个人热管理”领域逐渐受到重视。
作为一种面向人体个性化需求、实现人体局部环境加热或冷却的技术，“个人热管理” 可以避免将多余的电力浪费在加热或冷却整个建筑物上，具有更高的能源效率，逐渐成为绿色环保、高科技、个性化的方案。
通过衣物进行 “个人热管理” 是维持人体个性化热舒适需求的有效方法，有望解决白衣天使们的 “热” 烦恼！
视频｜超材料织物与棉在人体皮肤表面降温性能对比测试（西双版纳，2020 年 12 月 13 日）（来源：Science）
近日，华中科技大学陶光明团队与浙江大学马耀光团队基于辐射制冷原理和形态分级设计理念，通过光学、织造技术的跨领域多学科协同创新，联合研发了一种无源随身 “空调”—— 在阳光直射的室外环境下，可无源制冷的光学超材料织物（Metafabric）。
图｜相关论文（来源：Science）
7 月 9 日，相关研究以《无源制冷光学超织物用于可扩展的日间被动辐射制冷》（“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”）为题发表在 Science。
由华中科技大学陶光明教授、浙江大学马耀光教授担任共同通讯作者，华中科技大学硕士研究生曾少宁、浙江大学博士研究生片思杰共同担任第一作者。
该技术对多尺度光学层级结构进行优化，能有效调谐超材料织物在太阳光谱上精准的光学响应，并将黑体辐射达到极限，展现了相较于以往工作更优异的功能。具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征，适合大规模推广制备和产业化应用。
可实现全天低于环境温度 2-10℃的制冷效果
据了解，目前的织物结构光谱调控主要集中在 8－13 μm，由于太阳辐射波段贫瘠的调控能力，使这类织物在户外阳光直射的炎热环境下，难以实现有效热调控。
由于较低的散射效率和强紫外吸收等因素，使米氏散射等方案在实现强力学性能或高反射效率方向面临挑战。
“在极端条件下，由于在太阳辐射波段贫瘠的调控能力没有最大效率地利用占主导地位的热辐射作用，热调节能力有限 ，当前的一些降温服饰仍不能摆脱耗能、笨重等固有缺陷。因此，近年来基于辐射热调节的织物吸引了越来越多学术界和产业界的关注。” 陶光明告诉 DeepTech。
图｜超材料织物示意图（来源：Science）
项目合作者马耀光告诉 Deeptech，“无源制冷光学超材料织物具有分级形态结构，针对织物的多层空间结构、纤维结构和纤维内部纳米结构在不同的空间、不同的尺度上进行分级，形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。”
由于人体红外辐射范围（７-14 μm）与大气透明窗口（8-13 μm）重叠，人体的热辐射可以直接通过大气透明窗口向温度低至 3K 的外太空进行辐射制冷，从而实现零能耗降温。
“所以，利用人体所穿戴织物进行辐射制冷可显著提高人体热舒适且不需要任何外部能量输入，是传统耗能热管理技术极具潜力的替代及补充方案。” 陶光明说。
根据 “无源制冷光学超材料织物” 的结构设计，研究人员将从太阳辐射波段到中红外波段（0.3-25μm）的光谱分为三段，交由超材料织物中的不同级次响应。
顶层的服装膜、底层主体织物中的高折射率纳米颗粒及微米级的聚乳酸纤维，分别响应紫外、可见近红外以及中红外波段，为超材料织物提供了宽谱的太阳反射以及高效的中红外发射。
图｜超材料织物的降温性能测试（来源：Science）
该团队将光学超材料技术与批量纤维制备技术相结合，引入特定波段光学新特性，获得均匀连续的超材料纤维，纤维强度足以利用缝纫机在商用面料上进行任意文字和形状的绣花。
在此基础上 ，进一步利用纺纱织造及层压技术，可得到在太阳光波段具有 92.4% 反射率、在中红外波段具有 94.5% 发射率的超材料织物。
图｜超材料纤维缝纫（来源：Science）
经严格测试，超材料织物样品在无源输入条件下，可实现全天低于环境温度 2-10℃的制冷效果。 因此，该技术借助大气透明窗口增强热量与外部寒冷空间的热交换，并对整个太阳辐射波段实现了高效阻挡。
无源随身 “空调”：低成本 、绿色环保 、可产业化
陶光明认为，传统制冷解决办法存在两大缺陷。
第一，在户外暴晒环境中，用传统的方式制冷不现实。“利用空调系统等耗能方式进行整个空间降温，能量被极大地浪费在整个制冷空间环境中，会间接加剧全球变暖。” 陶光明解释道。
第二，目前一些基于服饰的防护技术存在不耐洗涤、瞬时凉感、笨重耗能、降温防护效果差等固有缺陷。如防晒衣的涂层防晒技术、冷感纤维、风扇嵌入式服饰等。
图｜超材料织物与棉对人体体表降温对比测试（来源：Science)
相比之下，该团队研究的 “无源制冷光学超材料织物” 基于辐射制冷的原理和形态分级的设计理念，最终实现紫外、可见 - 近红外及中红外波段的宽光谱精准调控，从而获得具有优异制冷性能和柔性可穿戴性能的光学超材料织物。并且，具有低成本、绿色环保、可产业化等优势。
陶光明向 DeepTech 表示，我们的技术先进性不仅来源于分级形态结构设计，而且，与成熟的化纤织造和纺织工艺相匹配，从而实现将技术在工业生产应用。
图｜超材料纤维及织物表征（来源：Science）
第一，在材料方面，绿色环保、柔软亲肤、舒适透气。
超材料织物不仅具有良好的日夜辐射制冷能力，且在正午时间段的模拟人体测试中，所覆盖的模拟皮肤相较于同色商业面料（棉、氨纶、雪纺、麻）可低 5-7℃（广州，2020 年 11 月 28 日）。
与此同时，研究团队制作一半棉、一半超材料织物的自制背心进行实际人体皮肤测试，相较于商用白色棉织物，其最高降温可超过 4℃（广州，2020 年 12 月 7 日）。
此外，研究团队在考虑人体汗液蒸发的情况下，进行超材料织物与棉的降温测试，整个过程中保持连续水分蒸发，超材料织物下的模拟皮肤相较于棉可低 4℃（天津，2021 年 5 月 5 日）。
超材料织物在阳光直射的室外环境下展现了显著降温效果，如同无源轻便地随身 “空调”，给使用者极大的凉爽舒适感。
第二，在成本方面，一件超材料织物的成衣制造成本价通常仅为商品售价的十分之一。研究团队将新材料引入纤维内部，发现纤维成本仅增加 10% 左右。
这意味着，成本增加仅在 1% 左右，在这种极小的成本差异下却能带来优异的降温性能，最大限度满足了有防护降温需求的人。
第三，在绿色环保方面，超材料织物将温度接近绝对零度的宇宙空间作为天然冷库，通过将物体辐射的热量直接耗散到外太空，即可实现零能耗的降温，且极大地阻挡太阳辐射对人体的升温和损伤。这也响应了国家 “碳达峰” 和 “碳中和” 的理念与号召，顺应了全球绿色低碳发展潮流。
多方助力，循序渐进克服难题
整个科研过程历时三年，团队遇到过各种各样的困难与挫折。2020 年，突如其来的新冠疫情打乱了该团队的研究进展。
“于是我们放慢节奏梳理当下的工作，合理安排工作进度。由于疫情期间无法入校，去年 5 月，我们安排曾少宁等同学一起前往中国纺织科学研究院武清分院，投入光学超材料织物技术的攻关研发中。” 陶光明告诉 DeepTech。
图丨陶光明（来源：受访者）
多单位的联合研究团队从辐射制冷原理和服用聚合物材料特性研究出发，对整个工艺流程进行探索和调控，以匹配纤维力学性能和织物服用性能的要求。
然而，在纺丝工艺上，如何从材料选择入手、调整参数以兼顾纤维内部复合结构设计及其力学性能，是摆在该研究团队面前的一大难题。
在纺纱织造工艺上，研究团队借助纺织厂的设备，同时向多位资深职工讨教经验，循序渐进克服困难。
图｜陶光明教授（左）研究团队和马耀光教授（右）研究团队（来源：受访者）
陶光明认为，当科研走进深水区时，应该学会向外界借力。“曾经有来自产业界、投资界等的朋友从宏观趋势、产品应用场景、客户需求、未来趋势等多维度帮我做深度分析，让我及时调整方向，避免了很多弯路。”
将继续升级技术，丰富颜色和图案，积极推动多领域应用落地
谈及技术性能，陶光明告诉 DeepTech，目前该技术制冷性能已经接近极限，如果想让超材料织物的性能在物理层面更进一步，或许需要考虑新的物理规律、新的结构和新的设计。
据介绍，纤维或织物形态可通过刺绣、裁剪和缝纫融入到我们日常生活的相关商业产品中，普适性强；并且，在实际使用时能适应任意物体表面，如防晒服、帐篷、汽车罩、伞或保护任何暴露在户外、受到阳光伤害的人和物体。
超材料织物的主要目标人群包括：运动员、警察、清洁工、快递员和医护工作者等。目前，该超材料织物已与多领域机构达成初步合作意向，包括化纤制造、纺纱纺织、时尚服装、医疗健康、智能可穿戴等。
图丨部分实验平台，化学纤维制造设备及纺纱织造设备照片（来源：受访者）
该团队表示，在超材料织物色彩和图案的多样化上还有很大的提升空间。目前，已经通过初步编织等方式来具体落地。
团队的工作还受到了各界的广泛关注和认可。麻省理工学院（MIT）机械系主任伊夫林・王（ Evelyn Wang）教授，在接受媒体采访时表示，这项工作推动了辐射制冷领域的快速发展。她认为，“由于这种织物可以使用更广泛的材料并且更像棉，因此极具优势，这对用户来说非常重要。”
“下一步，我们专注在技术升级。通过美学设计、纺纱编织等方法在保证有效制冷的情况下，丰富颜色和图案。利用科技创新赋能产业升级，打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业。” 陶光明说。
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