崔屹Science重磅來襲：納米聚乙烯織物“智能”輻射降溫，我們離涼爽的夏天還遠嗎？（附視頻）

【引言】

能量消耗是人類21世紀面臨的兩大問題之一，房間的加熱和制冷占居民和商業能量消耗的大部分，在美國占能量消耗的12.3%。減少室內溫度調節能很大程度上減少全球能量的消耗。“個人熱管理”只對人體和特定的環境進行溫度的調控，與傳統調節室內溫度相比這種方法能有著更高的能量利用率。為了實現“個人熱管理”，必須更好的控制室內人體熱耗散的過程。

【成果介紹】

最近，斯坦福大學崔屹教授等在Science上報道了一種納米聚乙烯（nanoPE）材料，可作為夏天給人體降溫的紅外輻射散熱織物材料。皮膚是良好的紅外發射器，能確保紅外耗散的進行，設置一個合適的冷卻點，就能達到讓人體舒適的目的。一般材料中有較多基團的吸收如N-H、C-O等，其紅外光的透過率很低，然而PE（聚乙烯）的紅外吸收峰很窄，并且與人體輻射出的射線吸收峰相隔很遠，對紅外光的吸收較弱，因此能確保較大的紅外透過率，十分適合作為紅外輻射散熱織物材料。并且nanoPE有著直徑為50-1000nm的連接孔，孔的尺寸遠小于紅外波的長度，所以nanoPE有著較高的紅外透過率。但是nanoPE透水性和透氣性較差，于是將nanoPE表面改性為親水性后，連接孔就能確保空氣的透過性和排汗。將PDA（聚多巴胺）包覆在nanoPE上，可以確保nanoPE的“可穿”性能。需要指出的是，將nanoPE應用于衣物之中仍有很多的挑戰（如nanoPE織物的可洗次數等），想實現“涼爽的夏天”還需要科研工作者們繼續努力。

【圖文導讀】

圖1 nanoPE的光學性能和形貌

圖A為作者建立的模型，空氣溫度調控點與紅外透過率的關系。表明聚乙烯膜有著較高的紅外透過率，能在較高溫度對溫度進行調控。

圖B為nanoPE、通用PE與通用織物的紅外透過率測試原理對比圖。只有nanoPE能較好的滿足紅外透過率的要求，且對光不透明，而且能夠與體外形成空氣流通。

圖C為nanoPE紅外以及可見光透過率的模擬，其中nanoPE的孔徑為400 nm，厚度為12 mm，黃色陰影區域表示人體輻射。

圖D表示為基于人體輻射的各種孔徑的模擬加權平均透射比，隨著孔徑的增大，平均透光率從> 90%下降到80%，從而開始影響人體輻射的傳輸。

圖E為商業nanoPE的照片。

圖G為高分辨率的掃描電鏡圖像，孔的直徑僅為50-1000 nm，這是保證高的紅外透過率的關鍵。

圖H表明對nanoPE進行可見渾濁度測定，其與棉花一樣具有不透明性。

圖2 不同織物樣品的熱性能

圖A,B,C為模擬人體放熱不同樣品的降溫效果，nanoPE的降溫效果為最好，與人體溫度最為接近。

A圖為模擬人體加熱裝置圖，使用產生恒定的加熱功率的加熱元件來模擬人體皮膚，并用熱電偶測量“皮膚溫度”。較低的皮膚溫度意味著更好的冷卻效果。

B圖為模擬溫度不同材料下的皮膚溫度，nanoPE因其有著更高的紅外透過率而具有更好的冷卻效果。

C圖為不同樣品的相對熱量分布圖，只有nanoPE才能顯示出H型的金屬模型。

圖3 改性后的nanoPE作為衣物的性能

圖A為對PDA包覆nanoPE材料改性流程圖，滿足nanoPE作為織物的性能。

圖B為不同nanoPE的水蒸氣透過率，表明在自然環境下納米孔能夠滿足水蒸氣的滲透。

圖C表明PDA-nanoPE-mesh、PDA-nanoPE有著與棉相似的空氣透過率。

圖D中可知，棉具有最高的毛細作用，PDA-nanoPE-mesh由于PDA的雙層結構具有相近的毛細作用。毛細作用能夠使得汗液揮發，衣物有較好的舒適度。

圖E為不同織物的機械強度，PDA-nanoPE-mesh的機械強度能夠滿足纖維的加工。

圖4 PDA-nanoPE-mesh的性能

圖A表示為增加透氣性能的小孔，基本上從肉眼上觀察不到。

圖B,C為不同織物材料之間光學性能的對比。

圖D為不同織物材料中熱性能的對比。

通過性能的比較，nanoPE是一種作為“個人熱管理”的紅外透過織物較好的材料。

我們來一起看看這款神奇織物的原理。

【展望】

本研究通過改變nanoPE的加工方法來改善潛在的“可穿”性能是很有意義的，可以加快nanoPE在衣物中的應用進程。盡管PDA-nanoPE-mesh的織物很穩定，但是汗水蒸發、洗滌次數、耐磨次數和紫外吸收等性能還有待提高，要將其應用于實際生活中還需要科研工作者們不斷努力。

文獻鏈接：Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile （Science, 2016, DOI : 10.1126/science.aaf5471）

Science同期perspective：Nanoporous fabrics could keep you cool（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah5577）

Science視頻報道：Video: The only thing cooler than this new fabric is no fabric（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah7252）

本文由材料人高分子材料學習小組成員Andy_chen供稿，材料牛編輯整理。

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