如果能将被动辐射冷却结构应用到个人热管理技术中，那么，人类将可以有效地抵御日益加剧的全球气候变化。
在此，来自浙江大学马耀光&华中科技大学陶光明等研究者，研究表明，得益于超构织物中随机分散散射体的分层形态设计，大型机织超构织物可以提供高的大气窗口发射率(94.5%)和太阳光谱反射率(92.4%)。相关论文以题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”于2021年07月08日发表在Science上。
1. 通过可扩展的工业纺织制造路线，研究者的超纤维织物展现了卓越的机械强度、防水性和商业服装的透气性，同时保持了有效的辐射冷却能力。
2. 实际应用试验表明，用该超构织物覆盖的人体温度比用普通棉织物覆盖的人体温度低约4.8℃。
随着全球变暖加剧，暴露在室外环境中的人们，更容易因过度热应激而患病。个人热管理(Personal thermal management, PTM)是一种控制人体微气候的技术，可以高效地实现人体的热舒适。然而，目前PTM设计的能耗大、体积大等关键问题，还没有得到解决。
辐射冷却是一种很有前景的冷却方法，通过大气透明光谱窗(ATSW， λ~8-13 μm)将热量直接辐射到外层空间。利用纳米光子结构(如多层光子结构、超材料和随机介质)的方法，同时通过引入太阳辐照抑制和增强发射的热辐射，成功地产生了日间辐射冷却装置和系统。然而，大多数辐射冷却结构(薄膜、涂层、涂料等)仍然导致空气/水渗透性较弱，耐磨性不佳，使得这些材料难以直接应用于PTM系统。
研究人员已经测试了各种类型的中红外透明辐射冷却纺织品。但是，为了保持足够的MIR透光率，MIR透明结构的厚度被严格限制在~150 μm以内。太阳能的加热阻塞和结构韧性，使得其在这种厚度水平上变得具有挑战性。相比之下，MIR-辐射纺织品的性能不依赖于下垫面的光谱，因此放宽了对厚度的限制。然而，目前关于MIR-辐射冷却纺织品或纤维的研究还很少。
在此，研究者设计了一种用复合微纤维编织的多层超材料织物，它结合了分层设计的随机超材料结构，直接将辐射冷却技术用于PTM应用。
如图1A和B所示，层级形态设计机制直接提供了一个可扩展的光谱响应，波长横跨两个数量级(0.3~25 μm)，并使超构织物能够共振抵制太阳能，并在MIR范围内强烈发射。该多层超滤织物，由氧化钛-聚乳酸(TiO2-PLA)复合机织织物与薄的聚四氟乙烯(PTFE)层压而成。顶层层压设计为50 μm厚的聚四氟乙烯(PTFE)服装薄膜，在服装工业中广泛应用。
当工作温度低于环境温度时，选择性发射器适用于辐射冷却应用。对于上述环境温度场景，全MIR波段的有效发射都是有用的。因此，选择具有C=O (1825~1725 cm-1)、-CH3 (1454.49 cm-1)、-CH (1382~1300 cm-1)、C-O (1042~1267 cm-1)和C-C (867.67 cm-1)键的聚乳酸微纤维，在MIR波段具有丰富的发射率。
研究者利用Lorenz-Mie理论和蒙特卡罗模拟的数值模型进一步优化了辐射冷却性能。研究者选择的纳米粒子具有对数正态分布(μ= 6.2， σ2 = 0.2)，峰值直径为400 nm，因为它们能最大程度地提高织物的遮阳性能(图1C)。如此广泛分布的纳米颗粒，当与聚四氟乙烯纳米球结合时，在UV-VIS-NIR波段提供了广谱散射和反射率(图1D)。采用稳态传热模型，在皮肤温度为34°C和环境温度为22°C的条件下，对超构织物的辐射冷却性能进行了数值评估。在400 ~ 600 μm的厚度范围内，研究者观察到一个净冷却功率平台，在大约500 μm处，出现了最有效的冷却行为(图1E)。
通过实现亚纤维级的层次形态设计，研究者获得的亚纤维织物的可伸缩制造具有极大的灵活性(图2A)。超构纤维(图2B)表现出优越的拉伸性能，伸长率为29.5%，断裂强度为1.886 cN/dtex(图2C)，其柔韧性和强度足以通过商用缝纫机缝合和刺绣(图2D)。力学测试表明，该超构织物(图2E)可以承受~482 N的拉伸力和~20%的伸长率，与其他商品织物的力学性能相当(图2F)。超构织物的疏水表面具有良好的防水性能(图2G)，同时，仍保持了一定的透气性。当夹在空气和水环境中时，超构织物表现出连续的气泡透光率和紧密的防水性能，这有利于传统的热交换机制和良好的耐磨性(图2H)。
从研究者的分层形貌设计中，织物在太阳辐射区(0.3~2.5 μm)显示出92.4%的宽带反射率，在ATSW上的平均发射率为94.5%(图2I)。4~25 μm的高发射率宽带可以提供额外的冷却功率，该超构织物的工作温度高于环境时使用的PTM场景。
在中国广州晴朗的天空条件下，研究者通过直接热测量证明了该超构织物的室外辐射冷却性能(图3,A和B)。为了保证热测量的准确性和均匀性，每个织物样品的温度通过粘在铜板上的3个K-型热电偶进行监测(图3C)。在连续24小时的测量期间，超基织物的温度始终低于环境温度(图3D)。此外，人体皮肤模拟器上测试了该超构织物的辐射冷却性能(图3E)。在11:00-15:00的峰值太阳辐照度下，超构织物的温度分别比棉、氨纶、雪纺绸、亚麻和裸皮模拟温度分别低约5.0°、6.8°、7.0°、5.8°和10.2°C(图3F)。
为了验证该超织物在实用场景中具有可伸缩、可穿戴的特性，研究者将一种商用棉织物和一种超织物缝在一起，制成了一件自制背心。
一名穿着该背心的志愿者，在阳光直射下躺了一个小时，研究者监测了背心和志愿者的热特性(图4A)。热摄像机(Fluke Ti400)显示背心两侧的温度差很大(34.4°和31.0°C)。粘在背心下的热电偶也表明，不同织物覆盖的身体部位之间的温度差为~4.8℃(图4B)。
为了重复性，在中国的西双版纳对辐射冷却背心进行了类似的测试。在半小时的测量过程中，背心的每一半表面逐渐呈现出明显的温差(图4C)。令人惊讶的是，在脱下背心后，两半身体显示出了超过3℃的明显温差。另外，研究者分别用一个商用车罩、研究者自己的超构织物和没有覆盖的三种汽车模型，测试超构织物的冷却性能(图4A)。在90min的实验中，覆盖了超构织物的汽车模型的最大内部温度分别比没有遮挡和有遮挡的模型低~30°和~27°C(图4D)。
综上所述，研究者的超构织物表现出高效的散热性能，并为PTM提供必要的透气性和穿着舒适性。与薄膜或涂料等被动冷却方式相比，这种编织结构使超材料易于适应复杂的变形(弯曲、拉伸和扭曲)，从而产生多种兼容性。此外，超织物可通过刺绣、裁剪和缝纫等手段，集成到不同场景的各种产品中，如服装、帐篷、车罩、窗帘、遮阳篷等。对纤维结构特性的进一步优化和探索，有望通过辐射冷却和排汗蒸发的联合作用提高冷却效率。
S. Zeng et al., Science 10.1126/science.abi5484 (2021)
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484
原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/14/b21b995b6c/
