南大&斯坦福 Nature Nanotechnology：基于納米加工蠶絲的低溫日間輻射冷卻紡織品

【背景介紹】

減少能源消耗對可持續發展至關重要。由于人類舒適度的溫度調節會消耗大量能量，因此目前大量的研究工作致力于開發能夠在不消耗任何能量的情況下為人體降溫的被動式個人熱管理策略。盡管之前已經提出了各種冷卻紡織品設計，但是尚未實現基于紡織品的白天輻射冷卻至環境溫度以下。眾所周知，蠶絲是一種由蛾毛蟲生產的天然蛋白質織物，以其閃亮的外觀和對皮膚的清涼舒適感而聞名。最近，人們認識到蠶絲的光學特性源于其分層微觀結構，可能是探索白天輻射冷卻的一個有希望的起點。然而，蛋白質在紫外線區域的內在吸收阻止了天然蠶絲在陽光下實現凈冷卻。
【成果簡介】

近日，南京大學朱嘉教授和斯坦福大學范汕洄教授（共同通訊作者）等人報道了一種通過分子鍵合設計和可伸縮耦合試劑輔助浸涂方法來探索蠶絲的納米加工，并且證明納米加工的蠶絲可以實現亞環境日間輻射冷卻。作者以四丁基鈦酸酯作為耦合試劑，促進氧化鋁納米顆粒（Al₂O₃ NPs）通過耦合反應與蠶絲纖維的耦合。其中，四丁基鈦酸酯不僅可以與Al₂O₃表面的羥基形成氫鍵，而且可以減少Al₂O₃顆粒的聚集。同時，四丁基鈦酸酯還可以與蠶絲的氨基酸形成強的共價鍵。因此，通過分子鍵合設計策略可以使得Al₂O₃顆粒與蠶絲間形成了強的鍵合力與良好的粘合性。此外，在陽光直射下（峰值太陽輻照度>900 W m^-2），作者觀察到了獨立納米加工蠶絲的溫度低于環境溫度約3.5?°C（環境溫度約為35?°C）。對比天然蠶絲，涂有納米加工蠶絲的模擬皮膚溫度降低了8 °C。這種納米加工蠶絲的低溫日間輻射冷卻是在不影響其耐磨性和舒適性的情況下實現的。這種通過可擴展的納米加工技術定制天然織物的策略為實現溫度調節材料開辟了新途徑，并且為可持續能源提供了創新途徑。研究成果以題為“Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文解讀】

圖一、納米加工蠶絲的低溫日間輻射冷卻設計
（a）由于在紫外線區域的高吸收，天然蠶絲的凈加熱性能示意圖；

（b）蠶絲蛋白分子對紫外線的吸收示意圖；

（c）天然蠶絲在0.3-2.5 μm波長范圍內的反射光譜；

（d）通過增強紫外線反射率的納米加工蠶絲的凈冷卻性能示意圖；

（e）具有增強抗紫外線性能的納米加工蠶絲的示意圖；

（f）納米加工蠶絲在0.3-2.5 μm波長范圍內的反射光譜。

圖二、納米加工蠶絲的制備與表征
（a）模擬蠶絲中Al₂O₃顆粒在0.3-0.42 μm波長范圍內歸一化散射效率，粒徑從0.1-0.5 μm不等；

（b）制備納米加工蠶絲的示意圖；

（c-d）天然蠶絲和納米加工蠶絲的FTIR和XPS光譜；

（e）納米加工絲織物的照片；

（f）具有清晰可見的Al₂O₃顆粒的單個納米加工絲紗的高倍SEM圖像；

（g）拉伸和加捻后經和未經TT處理的納米加工絲織物的光學圖像；

（h）納米加工蠶絲在0.3-18 μm波長范圍內的反射光譜。

圖三、測量天然和納米加工蠶絲的輻射冷卻性能
（a）用于測量加利福尼亞州斯坦福市絲織物輻射冷卻性能的輻射冷卻裝置示意圖；

（b）測試地點的地形和氣象信息；

（c）天然蠶絲、納米加工蠶絲（NP-silk）和環境空氣的溫度數據，以及太陽輻照度；

（d）環境空氣與天然蠶絲、環境空氣與納米加工蠶絲之間的溫差。

圖四、穿著納米加工蠶絲的熱測量及其可穿戴性能
（a）斯坦福大學用于在陽光下對模擬皮膚進行熱測量的裝置照片；

（b）一個增加溫度以模擬人體皮膚的加熱器、一個測量模擬皮膚溫度的熱電偶和覆蓋模擬皮膚的紡織品樣品示意圖；

（c-d）在斯坦福市的陽光下，裸露的模擬皮膚和覆蓋有棉花、天然蠶絲或納米加工蠶絲的模擬皮膚在4 h內的太陽輻照度和溫度數據；

（e）在南京陽光下穿著由納米加工蠶絲、天然蠶絲和棉花制成的襯衫的人的紅外圖像和光學照片；

（f）隨時間測量的不同紡織品的水蒸氣透過率；

（g）不同紡織品的芯吸距離，顯示了它們輸送汗水以實現快速蒸發的能力。

【小結】

綜上所述，天然蠶絲在紫外線波長區域的強烈吸收阻止了它實現低于環境的輻射冷卻性能。作者證明了通過分子鍵合設計策略和可擴展的浸涂方法，納米加工的蠶絲在白天可以達到低于環境溫度約3.5 ℃，當覆蓋模擬皮膚時，可以將皮膚溫度降低約8 ℃。在陽光直射下，具有與天然蠶絲相似的舒適性和耐磨性。在陽光直射下實現的低溫輻射冷卻效果意味著，當皮膚直接暴露在環境溫度下時，與這種納米加工蠶絲接觸時，皮膚將獲得相同的清涼感，或者更好的感受。作者認為這種通過方便和可擴展的過程定制天然材料的策略不僅可以為個人熱管理提供可持續的節能方法，而且還可以激發開發被動冷卻材料和設備以降低能耗的新途徑。

文獻鏈接：Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk. Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00987-0.

本文由CQR編譯。

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