2021年7月9日，Science杂志在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心陶光明研究小组和浙江大学光电科学与工程学院马耀光研究小组合作的题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究论文。
陶光明教授（中间居左）和马耀光研究员（中间居右）
图片来源：华中科技大学官微
此研究突破性地研发了一种具有形态分级结构(Hierarchical-morphology structure)、可大批量制备的光学超材料织物(Metafabric)，具有优异的日间辐射制冷能力，对实现高效的户外个人热管理具有重要意义。
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随着全球变暖的加剧，美国死亡谷地表温度已经突破80℃，而国内今天多地气温在33℃以上。在高温环境里生活，已经成了人类需要面对的挑战——甚至使一些地区无法居住。
而个人热管理(PTM)是一种控制人体微气候的技术，可以高效地实现热舒适性。但目前PTM设计的耗能和体积庞大的关键问题尚未得到解决。
辐射冷却通过大气透明光谱窗口(ATSW，λ~8至13μm)（8,9）直接辐射热量到外层空间，是克服这些障碍的一种很有前途的冷却方法。
近年来，随着光学随机结构超材料的发展，基于选择性光谱调控技术的辐射制冷织物在个人热管理领域逐渐受到重视。但由于目前的研究难以实现涵盖紫外、可见、红外的宽光谱调控，实现人体在户外阳光直射的炎热环境下的有效降温仍旧面临挑战。
该研究团队设计了一种用复合缩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，直接集成了PTM应用的辐射冷却技术。
他们根据织物空间结构、纤维结构以及纤维内部微纳结构进行分级，不同的级次分别响应不同波段，优化了光谱响应的效率，同时有效避免了不同波段光谱的串扰，从而实现了对整个0.3 -25 μm波段范围的高效的光谱调控。（如图1）
图1 Metafabric的结构和模拟性质 图片来源：science
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研究团队将光学超材料技术与批量纤维制备技术相结合，选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸为纤维原料，引入特定波段光学新特性，获得了均匀连续的超材料纤维。
在此基础上，进一步利用成熟纺纱织造和层压技术，制备的Metafabric在太阳辐射波段（0.3-2.5 μm）具有92.4%反射率，在中红外大气窗口波段（8-13 μm）具有94.5%发射率。
Metafabric可实现全天低于环境温度的日夜辐射制冷；在正午时段的模拟人体皮肤测试中（广州，2020年11月28日），相较于同色的商用织物（棉、氨纶、雪纺、麻），Metafabric下的模拟皮肤温度可低5-7 °C。
同一部位不同织物样品下皮肤模拟器的温差
图片来源：science
在对汽车模型的降温测试中，覆盖Metafabric的模型内部温度相较于市售车罩可降温~27 °C，相较于无织物覆盖的模型可降温~30 °C。
三种相同车型暴露在阳光下的温度试验曲线。
图片来源：science
此外，Metafabric对暴露于阳光的实际人体也具有显著的降温效果，相较于白色棉织物，其对人体体表降温超过4 °C。同时，该织物具有优异的可穿戴性，并与整个纺织行业相兼容，适合大规模推广制备和产业化应用。
(A)人体和模型车的元结构冷却试验示意图。(B)中国广州阳光直射下皮肤温度跟踪。插图展示了志愿者穿着研究人员自制背心的照片和热敏图像。(C)中国22°阳光直照志愿者的红外图像（22°200°5129英寸，2020年12月13日）。图片来源：science
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该研究表明，Metafabric具有高效的散热冷却性能，为PTM提供了必要的透气性和穿着舒适性。与薄膜或涂料等被动冷却路线相比，编织结构使Metafabric能够很容易地适应复杂的变形（弯曲、拉伸和扭曲），从而导致了通用的兼容性。
通过刺绣、切割和缝纫，Metafabric可以集成到不同的产品中，为不同的场景，如服装、帐篷、汽车罩、窗帘和遮阳篷。对纤维结构特征的进一步优化和探索有望通过散热冷却和排汗蒸发的联合效应来提高冷却效率。
为应对新冠肺炎疫情，全世界大量医护工作者穿戴闷热的口罩与防护服，为人们进行病毒检测和疫苗注射，白衣天使们为抗击疫情强忍不适。
目前，该研发团队已将超材料织物初步应用于口罩和防护服，与传统医用防护材料相比，防护用降温纺织品材料成功实现了户外的有效降温，进一步研发后有望在保持防护服防护的基础上让医护工作者拥有更好的热舒适。
该研究内容来源：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484.full
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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