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近日，清華大學張如范副教授和南京大學朱嘉教授在Nature Sustainability上以“An all-weather radiative human body cooling textile”為題設計了一種由聚甲醛（POM）構成的納米織物，其不僅在大氣環境（8-13μm）中實現了選擇性發射，而且還能夠顯示了剩余的中紅外波段的透射和太陽光的反射（0.3-2.5μm）。

因此，由POM紡織品構成的衣服在室外（晴天和多云條件下）和室內（比典型紡織品低0.5-8.8°C）都能實現高效的輻射人體冷卻。此外，紡織品顯示出良好的耐磨性，在用作防護服時優于同類商業化產品。

因此，POM材料既能提供室內冷卻，也能提供室外人體冷卻，并為下一代智能紡織品的合理設計以及支持可持續性的其他應用引入了新的可能性。

張如范/朱嘉，重磅Nature Sustainability！

研究背景

如今，生活中廣泛使用的主動冷卻系統，如空調消耗了大量能源，占全球電力消耗的~15%。其中，被動輻射冷卻作為一種新興的冷卻技術，它通過輻射熱傳遞到溫度較低的周圍環境，甚至通過大氣環境（3-8μm）進入寒冷的外層空間（近3 K），輻射冷卻技術在個人熱管理方面顯示出巨大的潛力，輻射傳熱是人體的主要散熱途徑，占人體總傳熱的40-60%。

近年來，已經開發了各種輻射冷卻紡織材料，用于不同環境中的人體冷卻，包括室內和室外。根據其冷卻機理，輻射冷卻紡織品可分為兩類，即主要用于室內環境的透射型紡織品和通常在室外使用的發射型紡織品。

前一類紡織品，如納米多孔聚乙烯（PE）基紡織品，在中紅外（MIR）波段對人體輻射是透明的，人體可以通過這種紡織品直接散熱到周圍環境中來冷卻。

相比之下，發射型紡織品通過大氣（8-13μm）將人體熱量釋放到寒冷的外層空間，使用的材料通常是聚合物或聚合物介電復合材料，包含強烈的分子振動和分層設計的納米結構。

如果輻射冷卻紡織品如果能夠同時在室外和室內環境中有效冷卻人體，那將是理想的選擇，具有高太陽反射率的透射型紡織品是實現這一目標的最佳理論選擇，但由于厚度限制引起了大量太陽能熱負荷，現有的透射型紡織品在暴露于室外時表現出較差的冷卻性能。

成果簡介

在此，清華大學張如范副教授和南京大學朱嘉教授等人展示了一種聚甲醛（POM）納米紡織品設計，在發射和傳輸模式之間采用了自適應散熱機制，使人體冷卻不受環境的影響（室內和室外）。

至關重要的是，POM紡織顯示8-13μm波段的選擇性發射率為75.7%（高選擇性為1.67，即8-13μm的平均發射率與4-25μm的平均發射率的比值），在4-25μm波段的透光率為48.5%，在0.3-2.5μm波段的太陽反射率為94.6%。

因此，與典型的透射型、排放型和商用棉紡織品相比，POM紡織品在陽光充足的室外（分別為7.8°C、2.6 °C和8.8 °C）、多云室外（分別為2.9 °C、0.7 °C和3.6 °C）和室內環境（分別為-0.2°C、1.2°C和0.5 °C冷卻）表現出顯著的輻射人體冷卻性能。

此外，POM紡織品還具有良好的透氣性，高拉伸強度和在高濕度條件下的良好性能。現場測試表明，本文的POM紡織品健康危害防護服在陽光明媚的室外（5.4°C冷卻）、多云的室外（1.3°C冷卻）和室內環境（~1.0°C冷卻）中表現出明顯優于已商業化的冷卻性能。

相關文章以“An all-weather radiative human body cooling textile”發表在Nature Sustainability上

內容詳解

自適應發射-透射模型

本文設計的材料在不同環境中高效人體冷卻的機制如圖1a所示，自適應紡織品在大氣窗口內表現出發射型特性（8-13 μm），在窗外表現出透射型特性，充分利用大氣窗，使其具有最佳的發射冷卻效果，同時保留大多數人體輻射的透射冷卻能力（~61%），其半發光和透明特性克服了透射型紡織品的厚度限制，有望通過納米結構調控實現類似于發射型紡織品的高太陽反射率。

通過求解穩態傳熱模型，對不同類型紡織品（發射型、透射型和自適應型）在室外和室內環境下的冷卻性能進行了數值比較。結果表明：在室外環境中，在強陽光下（800 W m^-2），與透射型（低25.7°C）和發射型（低4.2°C）的織物相比，自適應型紡織品的表皮表面溫度明顯更低（圖1c，d）。

這得益于本文的紡織品設計具有更高的太陽反射率，與發射型紡織品相比，非窗口MIR透射具有額外的冷卻效果。對于室內環境，自適應型紡織品的表皮溫度（0.8 °C）略高于透射型紡織品，但明顯低于發射型紡織品（2.5 °C）（圖1c，e），這表明目前的紡織品具有幾乎與透射型紡織品一樣好的冷卻性能，并且遠優于發射型紡織品，這得益于其高MIR透射率（61%）。

圖1.?采用自適應輻射冷卻模式的紡織品的設計與模型計算

材料設計和表征

有機材料在MIR區（對應于人體主輻射波段）的發射和傳輸本質上取決于它們的分子鍵和官能團，它們在不同的波段范圍內具有不同的振動吸收和發射特性，強分子振動的存在和不存在分別是在相應波段實現高發射和高透射的必要先決條件。

本文選擇的POM（一種廣泛使用的聚合物，其主鏈僅由C-O-C鍵組成）結合了發射和傳輸兩種工作模式，FTIR-ATR曲線的特征峰表明，POM的振動吸收和發射波長主要分布在大氣窗口內，表明POM是一種有前途的原料，用于開發不依賴工作環境的輻射冷卻紡織品。

除了選擇性的MIR發射和透射外，白天室外環境的輻射冷卻材料也需要強的太陽反射率，但商業化POM產品顯示出低太陽反射率（~49.0%）。

基于上述分析，作者通過靜電紡絲合成了厚度為~260 μm的多級POM納米纖維紡織品（圖2c），POM納米纖維的直徑尺寸分布接近0.3-1.0μm的主太陽波段（圖2e）并遠離MIR波段，這有利于高太陽反射率和低MIR反射率。

這些結果表明，合成的POM紡織品具有上述自適應輻射冷卻模型的特性，有望提供環境自適應的人體冷卻。未來，有望通過低成本的溶液方法制備具有相似光學性能的POM薄膜，為擴大規模提供了另一種方便的方法。

圖2.?POM紡織品的設計、制備及光譜分析

熱測量

作者采用定制測量裝置研究了合成POM紡織品的全天候輻射人體散熱性能（圖3a，b），對裸露皮膚和三種典型紡織品（商業棉、發射型聚偏二氟乙烯（PVDF）和透射型納米多孔PE（納米PE）的皮膚進行了比較。

如圖3c所示，所選的PVDF和納米PE紡織品在整個MIR區域分別實現了高發射率（90.0%）和透光率（96.9%），而前者也表現出接近POM紡織品的高太陽反射率（95.1%），分別與發射型和透射型輻射冷卻模型一致。

同時，圖3d-g清楚地表明，在室外環境中POM紡織品覆蓋的皮膚模擬器的表面溫度是五個樣品中最低的。在強烈陽光直射下的陽光明媚的情況下（>800 W m^-2），從上午10點到下午1點，POM紡織品覆蓋的皮膚模擬器的溫度分別比裸皮膚和商業棉、納米PE和PVDF覆蓋的皮膚溫度低15.7 °C、8.8 °C、7.8 °C和2.6 °C（圖3d，e）。?

這些結果表明，POM紡織品對人體表現出最佳的戶外冷卻性能。POM紡織品在室內環境中也表現出良好的冷卻性能，這使得主動冷卻裝置的空氣溫度設定值更高，以保持人體的熱舒適性，每增加7°C，可以節省~1%的冷卻能源成本。

圖3.?比較POM紡織品的人體冷卻效果

聚甲醛紡織品的耐磨性

此外，合成的POM紡織品除了具有優越的散熱冷卻性能外，還表現出耐磨性所需的許多指標，即良好的透氣性、機械強度、防水性和防潮能力。首先，將POM紡織品夾在水和空氣之間時，連續的氣泡滲透沒有任何紡織品破損，清楚地表明透氣性好。此外，還測量了水蒸氣透過率（WVTR），歸因于無數納米孔和微孔通道的存在，水蒸氣滲透類似于商業棉。

POM紡織品還表現出13.3 MPa的高拉伸強度，與商業棉（14.7 MPa）相當，高機械強度歸因于POM的高結晶度，具有很高的固有強度（70MPa）。在這些不同的紡織品中，POM紡織品的伸長率最高（~300%），表明其高柔韌性，可舒適地與皮膚互動。還比較了這些樣品的防潮能力，這對于在潮濕環境中保持紡織品干燥和清潔非常重要。

圖4.?POM紡織品的可穿戴性試驗

綜上，作者通過設計一種用于環境自適應輻射人體冷卻的混合輻射冷卻模型，制造了在大氣窗口（75~7 μm）中顯示出8.13%的選擇性發射率，48.5%（4~25 μm）的高人體輻射透射率和94.6%（0.3~2.5 μm）的高太陽反射率的POM紡織品。

與現有的典型輻射冷卻紡織品和商業化棉紡織品相比，POM紡織品在室外和室內環境（0.5-8.8°C冷卻）下均表現出優異的人體冷卻性能。同時，POM紡織品還具有良好的耐磨性，如高透氣性，良好的拉伸強度和高防潮能力。這項工作為室外和室內人體冷卻的不兼容設計提供了解決方案，有助于下一代可持續的個人熱管理。

Wu, X., Li, J., Jiang, Q.?et al.?An all-weather radiative human body cooling textile.?Nat Sustain?(2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01200-x

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