DOI: 10.1038/s41893-023-01200-x
近日，清華大學(xué)化工系張如范副教授課題組與南京大學(xué)朱嘉教授團(tuán)隊(duì)合作，在人體輻射制冷織物研究方面取得重要進(jìn)展，設(shè)計(jì)并制備了一種可以適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景的輻射制冷納米纖維織物，并證明該織物在包括室外晴天、室外陰天以及室內(nèi)的多場(chǎng)景中均展示出優(yōu)異的人體降溫性能和良好的可穿戴性，解決了現(xiàn)有的人體輻射制冷織物應(yīng)用場(chǎng)景受限的問題，拓寬了輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍，并有望推動(dòng)其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。該工作發(fā)表在Nature Sustainability上，論文標(biāo)題為“一種多場(chǎng)景適用的人體輻射制冷織物”（An all-weather radiative human body cooling textile）。論文通訊作者為清華大學(xué)化工系張如范副教授，共同通訊作者為南京大學(xué)朱嘉教授，論文共同第一作者為清華大學(xué)化工系博士后吳學(xué)科和南京大學(xué)博士生李金磊。發(fā)展低能耗的人體熱管理技術(shù)對(duì)于人體健康和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?；谳椛渲评洌≧adiative cooling）的人體熱管理技術(shù)是一種零能耗方案，可以在不消耗任何能源且無(wú)溫室氣體排放的情況下實(shí)現(xiàn)炎熱環(huán)境中高效的人體降溫，是傳統(tǒng)高耗能制冷設(shè)備（如空調(diào)）的有力補(bǔ)充，乃至替代性技術(shù)。輻射制冷的原理是利用自然界的固有溫差（例如人體和周圍環(huán)境之間、地球和外太空之間）而形成的凈輻射傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)高效降溫。若能將輻射制冷技術(shù)集成到人體織物中，勢(shì)必會(huì)大幅度減少傳統(tǒng)高耗能制冷設(shè)備的使用，有助于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的輻射制冷織物主要分為兩類（圖1），一類是對(duì)人體熱輻射高透過的織物（如聚乙烯納米纖維織物，Nano-PE），稱之為透射型（Transmission-type）輻射制冷織物（圖1a,c）。這種織物可以使人體熱量不受阻攔地發(fā)散到周圍環(huán)境（通常低于體表溫度）中來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫。另一類是對(duì)人體輻射具有高吸收率（同時(shí)具有高的發(fā)射率，基爾霍夫定律）的織物，稱之為發(fā)射型（Emission-type）輻射制冷織物（圖1b, d）。這種織物可以先將人體熱量吸收，然后通過大氣層的透明窗口（8–13 μm）將之發(fā)射到寒冷的外太空（~3 K）來(lái)實(shí)現(xiàn)高效降溫。▲圖1.透射型（Transmission-type，a和c）和發(fā)射型（Emission-type，b和d）輻射制冷織物的降溫機(jī)理示意圖（a和b），及其相應(yīng)的光譜響應(yīng)（c和d）。雖然上述輻射制冷織物已經(jīng)取得優(yōu)異的人體降溫性能，但它們的應(yīng)用場(chǎng)景是受限的，無(wú)法同時(shí)在不同炎熱的室內(nèi)和室外（包括陰天和晴天）場(chǎng)景中發(fā)揮高效的人體輻射降溫作用。具體而言，對(duì)于透射型織物，為了保證其高的人體輻射透過率，需要足夠薄的厚度，這使得其在戶外陽(yáng)光下使用時(shí)無(wú)法排除太陽(yáng)熱（低太陽(yáng)反射率），因此不利于戶外（特別是晴朗白天）場(chǎng)景的人體輻射制冷。雖然最近的研究已經(jīng)證明可以通過添加納米顆粒等方式來(lái)提升其太陽(yáng)反射率，但這些方式對(duì)人體健康不利（如添加氧化鋅納米顆?？梢杂行岣逳ano-PE的太陽(yáng)反射率，但對(duì)人體存在安全風(fēng)險(xiǎn)），降低了透射型織物的可穿戴性。對(duì)于發(fā)射型織物而言，其制冷性能非常依賴大氣透明窗口這一散熱路徑。當(dāng)在室內(nèi)場(chǎng)景使用時(shí)，該織物顯然無(wú)法通過大氣透明窗口散熱，使其室內(nèi)降溫性能遠(yuǎn)不如透射型織物。此外，即使在室外的陰天（或多云）場(chǎng)景時(shí)，其散熱路徑也會(huì)被云層阻斷，導(dǎo)致降溫性能大打折扣?？偠灾?，現(xiàn)有的典型輻射制冷織物通常適用于單一的場(chǎng)景，限制了輻射制冷技術(shù)在人體熱管理中的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)出一種同時(shí)適用于多種不同場(chǎng)景的人體輻射制冷織物具有重要的意義。1.提出了一種適用于多場(chǎng)景的環(huán)境適應(yīng)型人體輻射制冷織物設(shè)計(jì)的理論模型，并從理論上證明其在多種不同場(chǎng)景均具有高效的人體降溫性能；2.制備出具有選擇性發(fā)射-透射特性的“環(huán)境適應(yīng)型”聚甲醛納米纖維織物，該織物在多場(chǎng)景（包括室外晴天、室外陰天和室內(nèi)）中具有顯著優(yōu)于商用棉布、商品醫(yī)用防護(hù)服和現(xiàn)有典型輻射制冷織物的人體輻射降溫性能，并具有良好的可穿戴性。▲圖2. 環(huán)境適應(yīng)型發(fā)射-透射（Adaptive-type）輻射制冷模型的建立和理論計(jì)算。作者提出了一種環(huán)境適應(yīng)型輻射制冷（Adaptive radiative cooling）理論模型（圖2a）。該模型的特征是在大氣透明窗口波段（8–13 μm）具有高發(fā)射率，而在非窗口中紅外波段具有高透射率（即對(duì)人體輻射具有高透過率，61%）（圖2b），兼具高太陽(yáng)反射率。并通過理論計(jì)算驗(yàn)證了這種具有選擇性發(fā)射-透射特性的輻射制冷織物可以在多場(chǎng)景（包括室內(nèi)和室外）中實(shí)現(xiàn)高效的人體降溫（圖2c-e）。▲圖3. 聚甲醛（POM）納米纖維織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征。基于上述理論模型，作者制備了一種具有選擇性發(fā)射-透射特性的聚甲醛（POM）納米織物（圖3）。該織物在大氣透明窗口（8–13 μm）表現(xiàn)出高熱發(fā)射率（75.7%），高人體輻射透過率（48.5%）以及高太陽(yáng)反射率（94.6%），表明聚甲醛納米纖維織物是一種典型的環(huán)境適應(yīng)型輻射制冷織物。▲圖4. 聚甲醛（POM）納米纖維織物在不同場(chǎng)景下的降溫性能測(cè)試。多場(chǎng)景下的測(cè)試證明，該聚甲醛納米纖維織物體現(xiàn)出優(yōu)于已報(bào)道的輻射制冷織物和商用棉布的人體降溫性能，可同時(shí)在多種炎熱場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高效的人體散熱（圖4）。具體地，相比現(xiàn)有典型輻射制冷織物和商用棉布，晴天室外場(chǎng)景中的降溫幅度可達(dá)到2.6 ~ 8.8 ℃，多云室外場(chǎng)景中的降溫幅度可達(dá)到0.7 ~ 3.6 ℃，在室內(nèi)場(chǎng)景場(chǎng)景中的降溫幅度可達(dá)到0.5 ~ 1.2 ℃。值得注意的是，在室內(nèi)場(chǎng)景使用時(shí)，每降低1 ℃，意味著空調(diào)臨界溫度可以提高1 ℃，對(duì)應(yīng)可以節(jié)省~7%的能量消耗。▲圖5. 聚甲醛（POM）納米纖維織物的可穿戴性測(cè)試以及防護(hù)服應(yīng)用。此外，聚甲醛納米纖維織物還具有良好的可穿戴性（圖5a-d），包括高透氣性、高水蒸氣透過率、高抗拉強(qiáng)度、高耐水性、高耐紫外照射性和高耐環(huán)境穩(wěn)定性等。此外，作為醫(yī)用防護(hù)服時(shí)（圖5e-k），聚甲醛織物體現(xiàn)出顯著優(yōu)于商品防護(hù)服的制冷性能。在室外強(qiáng)陽(yáng)光（≥ 800 W m-2）照射下，相比于商品防護(hù)服，聚甲醛納米纖維織物的降溫幅度達(dá)到~6 ℃，在室內(nèi)環(huán)境中也可以降低~1 ℃。本工作從理論上提出并從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種適用于多場(chǎng)景的環(huán)境適應(yīng)型人體輻射制冷織物設(shè)計(jì)，也為將來(lái)設(shè)計(jì)更多高效的人體熱管理材料提供了新的思路。張如范，清華大學(xué)化工系教研系列副教授、特別研究員、博士生導(dǎo)師、國(guó)家高層次人才計(jì)劃入選者、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事、中國(guó)化學(xué)會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)推薦委員會(huì)委員、中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員、中國(guó)能源學(xué)會(huì)專家委員會(huì)委員，Carbon Energy、SusMat、Exploration、Particuology及Carbon Neutralization青年編委。主要從事納米碳材料以及功能納米材料的可控制備與性能表征及應(yīng)用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano等期刊發(fā)表論文100多篇。申請(qǐng)發(fā)明專利15項(xiàng)；撰寫學(xué)術(shù)專著6部。曾獲侯德榜化工科學(xué)技術(shù)青年獎(jiǎng)（2019）、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)（2018）、《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”（2018)、中國(guó)新銳科技人物（2018）、清華大學(xué)2020年春季學(xué)期在線教學(xué)優(yōu)秀教師獎(jiǎng)（2020）、2019國(guó)際化學(xué)元素周期表年《中國(guó)青年化學(xué)家元素周期表》入選者（2019）、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2016）、瑞士喬諾法（Chorafas）青年研究獎(jiǎng)（2015）等獎(jiǎng)勵(lì)。http://www.rufanzhang-group.cnhttps://www.nature.com/articles/s41893-023-01200-x
