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随身“空调”,无源制冷光学超材料织物,可为所有人降温!

前沿:柔性可穿戴织物技术是先进制造业与新兴产业结合的重要突破口,是具有战略价值的“卡脖子”技术,对推动产业升级具有重要意义。

近年来,基于辐射制冷原理,利用织物内部波长/亚波长尺度的微结构来实现对太阳辐射波段和红外波段的光谱调控织物,在个人热管理领域逐渐受到重视。基于辐射制冷的原理和形态分级的设计理念,华中科技大学陶光明团队和浙江大学马耀光团队聚焦人民生活需求,颠覆传统制冷理念,基于与人们日常生活最密切不可分割的服装,研发了在阳光直射的室外环境下可无源使用的随身“空调”——无源制冷光学超材料织物(Metafabric),以实现高效的户外个人热管理,可为所有人降温。

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无源制冷光学超材料织物具有分级形态结构,根据织物空间结构、纤维结构、以及纤维内部纳米结构,在不同的空间、不同的尺度上进行分级,形成了一种宏观有序,微观随机的形态学分级体系(Hierarchical-morphology system),如图1所示。根据该结构设计,0.3-25 μm的光谱大体被分解为三个波段,交由超材料织物中的不同级次响应,最终实现紫外、可见-近红外及中红外波段的宽光谱精准调控。

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图1用于日间辐射冷却的超材料织物示意图

研究团队将光电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(PLA)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(图2 a),纤维强度足以利用缝纫机在商用面料上进行任意文字和形状的绣花。在此基础上,进一步利用纺纱织造和层压技术,得到在太阳光波段(0.3-2.5 μm)具有92.4%反射率、在中红外波段(8-13 μm)具有94.5%发射率的超材料织物(图2 b)。

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图2 超材料织物的表征:(a) 超材料纤维照片; (b) 超材料织物照片

革新的织物技术通过分级形态设计,是材料-光学-纺织技术的跨领域多学科协同创新。经严格的测试,在无源输入条件下,超材料织物可实现全天低于环境温度2-10℃的良好制冷效果(图3)。借助大气透明窗口(8-13 μm)增强热量与外部寒冷空间的热交换,并对整个太阳辐射波段(0.3-2.5 μm)实现高效的阻挡。

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图3 超材料织物的降温性能测试:(a) 测试装置示意图和样品照片,比例尺5 cm; (b) 超材料织物24小时连续制冷性能测试曲线图(广州,2020年12月5-6日)

超材料织物在阳光直射的室外环境下展现了显著降温效果,如同无源轻便地随身空调,给使用者极大的凉爽舒适感。研究团队通过制作一半棉、一半超材料织物的自制背心进行多次实际人体皮肤测试,最终发现相较于商用白色棉织物,整个过程中保持连续的水分蒸发,超材料织物下的模拟皮肤相较于棉可低~4 ℃。

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图4 阳光暴晒下超材料织物的实用性能表征。 (a) 超材料织物人体降温测试照片; (b) 超材料织物人体降温测试红外图

柔性可穿戴织物技术是先进制造业与新兴产业结合的重要突破口,是具有战略价值的“卡脖子”技术,对推动产业升级具有重要意义。独一无二多级结构设计对多尺度的光学层级结构进行优化,有效调谐超材料织物在太阳光谱上精准的光学响应,并将黑体辐射达到极限,展现了相较于以往工作更优异的功能。同时,对随机结构超材料的再创造并没有提高制备难度及设备成本,可以与整个成熟纺织行业相兼容。且具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征,适合大规模推广制备和产业化应用。

附录:陶光明教授介绍

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陶光明,华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院双聘教授、博士生导师、华中学者特聘岗教授、人机智能交互联合实验室主任。陶教授致力于研究多材料特种光纤、面向腔内精准微创手术的柔性纤维医疗机器人以及康养全场景的智能织物技术等跨学科研究工作,先后在Science (1), Nature (2), Proc. Natl. Acad. Sci. (2)等国际学术杂志发表论文60余篇,拥有已授权国际/国内发明专利近20项、申请国家发明专利近60项(其中专利许可转让9项)。陶教授为国家自然科学基金委面上项目、之江实验室重大科研项目和陈嘉庚青年科学奖等科技项目担任评审专家、任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国纺织科学研究院智能织物工作室主任、中国光学学会红外与光电器件专业委员会委员、中国红外医学产业技术创新战略联盟独立委员、湖北省硅酸盐学会理事、激光与光电子学进展期刊编委、Advanced Fiber Materials期刊副主编等。

马耀光教授介绍

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马耀光,浙江大学百人计划研究员、博士生导师。光电学院光电工程所书记、副所长。研究方向为介观尺度光与物质相互作用,以及微/纳米技术在光电系统中的应用。包括超构材料与超构表面器件、微纳光器件、非线性光学器件等方面。近年来在包括Science(2), Adv. Opt. Photon.国际重要学术期刊上发表40余篇高影响力学术论文,多篇为ESI高被引论文;拥有已授权国际/国内发明专利十余项。马教授为国家自然科学基金委面上项目、浙江省自然科学基金、之江实验室科研项目等科技项目担任评审专家。马教授曾获得2018年获得中国仪器仪表协会金国藩青年学子奖。2020年起担任《中国科学:技术科学》青年编委。

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