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輻射冷卻紡織品有望在全球不斷升高的溫度下實現(xiàn)個人熱舒適。然而，城市地區(qū)的熱島效應很大程度上降低了冷卻紡織品作為可穿戴織物的有效性，主要源于它們吸收來自地面和附近建筑的輻射。

通過分子設(shè)計，美國芝加哥大學的徐伯均教授（通訊作者）、吳榮輝和隋忱汐（共同第一作者）等人開發(fā)了一種中紅外（MIR）光譜選擇性的分層紡織品（SSHF），其發(fā)射率在大氣透射窗口中占主導地位，最大限度地減少了來自周圍環(huán)境的凈熱增益。由于納米-微雜化纖維結(jié)構(gòu)的強Mie散射，SSHF具有較高的0.97的太陽光譜反射率。當SSHF在白天垂直放置在模擬的室外城市場景中時，它比一個反射太陽能的寬帶發(fā)射器低2.3°C，而且具有良好的可穿戴性能。

相關(guān)文章以“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”為題發(fā)表在Science上。這也是徐伯均教授時隔8年之后再次在Science上發(fā)表冷卻布料技術(shù)的研究性論文，當年被《科學美國人》評為“改變世界的十大科技”。

徐伯鈞，2016 年畢業(yè)于斯坦福大學材料科學與工程專業(yè)，獲得博士學位，師從崔屹教授。博士研究方向為輻射加熱/冷卻紡織品、電致變色器件、納米纖維靜電紡絲和金屬納米線透明電極。2016-2018年在斯坦福大學從事機械工程博士后研究，主要從事范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的電熱冷卻和熱性能研究。徐博士接受過材料科學和傳熱方面的培訓，并參與了廣泛的項目，致力于可以造福人類的跨學科、多尺度和以解決方案為導向的研究。研究小組旨在開發(fā)用于光和熱管理的創(chuàng)新材料。考慮到應用和所需功能，我們設(shè)計、合成和制造具有理想光子結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)或傳熱特性的材料和設(shè)備。重點領(lǐng)域包括智能紡織品、光子纖維、太陽能海水淡化和固態(tài)冷卻。課題組成立至今，目前已經(jīng)在Science，Nature Communication，Science advances, Advanced energy materials, ACS Energy letters等著名期刊上發(fā)表多篇論文。

【研究背景】

城市熱島效應已成為影響人體健康的一大重要問題，加劇了全球變暖的影響。這種現(xiàn)象會導致一系列與熱有關(guān)的疾病，包括心血管死亡、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和損傷。城市熱島效應的一個主要原因是城市基礎(chǔ)設(shè)施，如建筑物和地面，吸收了更多的太陽輻射，并比草地、樹木和水體等自然景觀向周圍輻射了更多的輻射。這種效應不僅放大了導致更高發(fā)病率和死亡風險的熱浪，而且對能源消耗、空氣質(zhì)量和城市生態(tài)系統(tǒng)也有重大影響。目前，世界上一半以上的人口居住在城市。隨著所有國家城市化程度的增加，預計將從2022年的57%增長到2050年的68%，全球更大比例的人將暴露于城市熱島效應，在不久的將來，城市地區(qū)極端高溫的風險將會增加。因此，采取積極措施保持健康，抵御城市熱島效應對當代社會至關(guān)重要。

保持熱舒適性的一種有前途的方法是通過輻射冷卻紡織品，將熱輻射發(fā)射到外層空間并拒絕太陽輻射。在晴朗的天空下，被動輻射冷卻性能已經(jīng)得到證明，但通常不考慮來自加熱地面和城市結(jié)構(gòu)的熱量增益。具體來說，輻射冷卻紡織品通常設(shè)計為在整個中紅外區(qū)域（MIR）廣泛發(fā)射熱量，并假設(shè)它們有無障礙的天空視野。因此，它們的冷卻性能，包括冷卻功率和溫度降低，但這種假設(shè)忽略了大約97%的紡織品通常來自一個穿著充分的站立的人，只有一小部分布料區(qū)域（<3%）是水平方向的。因此，在現(xiàn)實場景中，服裝的視野中有50%被地面遮擋，而在城市場景中，由于建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施，這一比例增加得更多。

當暴露在強烈的太陽輻射下時，可以達到超過70℃的高溫并散發(fā)出大量的熱量。根據(jù)基爾霍夫定律，發(fā)射率等于熱力學平衡下的吸收率。換言之，寬帶發(fā)光紡織品的冷卻性能通常會受到來自周圍環(huán)境的入射熱輻射的極大影響。為了在更逼真的場景中實現(xiàn)衣服的高冷卻性能，應設(shè)計光譜選擇性紡織品，使發(fā)射僅在波長范圍為8至13 μm的大氣傳輸窗口（ATW）中占主導地位，并且抑制來自周圍地面或建筑物的所有非ATW寄生熱。這個概念是由 Mandal 等人提出的，用于建筑外墻，但展示相同的設(shè)計用于人體冷卻并非易事。

【內(nèi)容詳解】

本文設(shè)計了一種MIR光譜選擇性分層紡織品（SSHF），其ATW光譜選擇性比高達2.23，平均ATW發(fā)射率為0.85，在城市地區(qū)具有明顯的冷卻效果。ATW區(qū)域的高發(fā)射率使SSHF能夠向外層空間發(fā)射熱量，而非ATW區(qū)域的高反射率（低吸收率）使周圍熱地面或建筑物的熱量吸收最小化。

圖1. 用于輻射冷卻的垂直取向織物的光譜選擇性紡織品的概念和優(yōu)勢。

同時，基于多模態(tài)傳熱機制和光-物質(zhì)相互作用設(shè)計了SSHF，它由聚甲基戊烯（PMP）納米-微雜化纖維層、銀納米線（AgNW）和羊毛織物組成。由于靜電紡絲過程中溶劑的連續(xù)揮發(fā)，表面PMP光纖具有廣泛的尺寸分布，從而實現(xiàn)了覆蓋整個太陽光譜的寬帶散射效率。值得注意的是，PMP只有C-C（954-1004 cm^-1）、-CH₂（1176-1241 cm^-1）、-CH（862-881 cm^-1）和-CH₃（931 cm^-1）鍵鍵，因此它作為僅在ATW范圍內(nèi)具有高吸收的選擇性發(fā)射極顯示出巨大的潛力。中間的AgNW層在整個MIR區(qū)域提供高反射率，防止紅外（IR）從城市基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)饺梭w。底部羊毛織物是寬帶發(fā)射器，它通過織物-皮膚氣隙吸收來自人體皮膚的熱輻射，并通過AgNW層進一步將熱量傳導到頂部PMP織物。

圖2：PMP織物的MIR光譜選擇性和太陽反射率。

圖3：SSHF的結(jié)構(gòu)和可穿戴性能。

圖4：SSHF和各種常見紡織品樣品的室外熱測量。

圖5：SSHF和理想的選擇性發(fā)射器在不同城市場景下的冷卻功率對比。

總的來說，開發(fā)了一種光譜工程分層紡織品，其選擇性發(fā)射率在朝外側(cè)的ATW中占主導地位，在向內(nèi)側(cè)具有寬帶發(fā)射率。ATW區(qū)域的高發(fā)射率使SSHF表面能夠向外層空間散發(fā)熱量，而非ATW區(qū)域的高反射率（低吸收率）最大限度地減少了來自炎熱環(huán)境（如地面和建筑物）的熱量增加。同時，高向內(nèi)寬帶發(fā)射率有利于與人體的輻射熱交換，與氣隙傳導和對流平行。同時，SSHF具有優(yōu)異的耐磨性，包括透氣性、耐洗性、耐久性、強大的機械性能和抗紫外線老化性能。在個人與其環(huán)境之間的全面?zhèn)鳠岱治龅闹С窒拢糜诖怪泵婕徔椘返倪x擇性光譜設(shè)計引入了一種創(chuàng)新且有效的被動個人冷卻解決方案，以應對城市熱島效應，該解決方案不僅具有減少空調(diào)能耗的潛力，而且還可以作為與熱相關(guān)的健康問題的預防措施。

【文獻信息】

Ronghui Wu?, Chenxi Sui?, Ting-Hsuan Chen, Zirui Zhou, Qizhang Li, Gangbin Yan, Yu Han,

Jiawei Liang, Pei-Jan Hung, Edward Luo, Dmitri V. Talapin1, Po-Chun Hsu1*,?Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0653

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他，師從崔屹，時隔8年，憑借“改變世界的十大科技”再發(fā)Science！

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