华科&浙大《Science》：一种保持凉爽的持久方法！

将被动辐射冷却结构融入个人热管理技术，可以有效地保护人类免受日益加剧的全球气候变化的影响。

在此，来自浙江大学的马耀广&华中科技大学的陶光明等研究者表明，由于在整个超织物中随机分散的散射体的分层形态设计，大型超织物可以在大气窗口中提供高发射率(94.5%)，在太阳光谱中提供高反射率(92.4%)。相关论文以题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”发表在Science上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/692

随着全球变暖加剧，暴露在室外环境中的人们患与过度热应激相关疾病的风险日益增加。个人热管理(PTM)技术，是一种对人体微气候进行控制的技术，能够高效地促进人体的热舒适。然而，目前PTM设计的能源消耗和体积庞大的问题，还没有得到很好解决。辐射冷却，即通过大气透明光谱窗口(ATSW;λ~8-13 μm)是一种很有前途的冷却方法。利用纳米光子结构的方法，如多层光子结构、超材料和随机介质，通过同时引入太阳辐照抑制和增强发射的热辐射，成功地产生了白天辐射冷却装置和系统。然而，大多数辐射冷却结构(薄膜、涂层和油漆等)，仍然导致弱的空气-水渗透性和不足的耐磨性，限制了这些材料直接应用于PTM系统。因此，作为保护皮肤免受外部环境影响的主要介质，服装可能是实现日间辐射冷却功能的理想选择。

目前，研究人员已经测试了各种类型的中红外(MIR)透明辐射冷却纺织品。但是，为了保持足够的MIR透射率，MIR透明结构的厚度被高度限制在<~150 μm。在这个厚度水平上，太阳能加热的阻塞和结构的韧性，使其变得具有挑战性。相比之下，MIR-发射纺织品的性能，不依赖于下垫表面的光谱，因此放松了对厚度的限制。然而，针对PTM的MIR-发射辐射冷却纺织品或纤维的研究还很少。

通过形成单晶消除扩散界面，是降低扩散率的标准策略，例如，在涡轮发动机的在此，研究者设计了一种用复合微纤维编织的多层超构织物，它结合了分层设计的随机超材料结构，直接集成了辐射冷却技术用于PTM应用。层次形态设计机制直接提供了扩展的光谱响应，波长跨度为两个数量级(0.3-25 μm)，并使超织物共振在MIR范围内拒绝太阳能和强烈发射(图1,A和B)。该多层超构织物由氧化钛-聚乳酸(TiO₂-PLA)复合编织织物与薄聚四氟乙烯(PTFE)层合而成。该多孔复合材料包含直径为200~1000 nm的纳米珠子和长度为几微米、宽度<200 nm的纳米纤维。该复合材料在到达亚纺织层之前，强烈反射来自入射辐射的紫外线。粒径分布在200~1600 nm的TiO₂纳米颗粒作为高折射率散射体，可以利用多个Mie共振的集体效应，高效地产生覆盖整个可见光至近红外(VIS-NIR)波段所需的散射峰。

通过可扩展的工业纺织制造路线，研究者的复合织物展现出理想的机械强度、防水性和商业服装的透气性，同时保持有效的辐射冷却能力。实际应用试验表明，该复合织物覆盖的人体温度比商用棉织物覆盖的人体温度低4.8℃。

图1 超构织物的结构和模拟性能。

图2 超织物的制造与表征。

图3 直接热分析以确定超构织物的冷却性能。

图4 在阳光下对超织物的实际表征。

该复合织物具有高效的散热性能，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，编织结构使超织物能够轻松适应复杂的变形(弯曲、拉伸和扭转)，从而具有广泛的兼容性。通过刺绣、剪裁和缝纫，可以将该材料集成到各种不同的产品中，用于不同的场景，如服装、帐篷、汽车罩、窗帘和遮阳篷等。对光纤结构特性的进一步优化和探索，有望通过辐射冷却和汗液蒸发的综合作用，提高冷却效率。

虽然目前研究者还没有探索超织物的颜色兼容辐射冷却和冷却功率调制，但基于层次形态设计的思想，应用四层染色层和采用非对称光子结构，也许会解决上述挑战。（文：水生）