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来源:学术经纬

炎炎夏日让人恨不得一天24小时与空调相伴,然而总有出门的时候。闷热的天气令人忍不住想,要是我们的衣服能像“随身空调”一样有降温功能就好了。

然而,制造保暖的服装很简单,要想设计出让人保持凉爽的服装却不容易。近日,在顶级学术期刊《科学》上发表的一项新研究中,来自浙江大学与华中科技大学的科学家设计出一种光学超材料织物。用它制作的衣服虽然看起来只是一件普通的T恤,却可以散发热量和反射光线,让身体温度降低近5°C! 

为了制作抵御高温的服装,时装设计师常用的方法是使用浅色面料,以反射可见光。另一种方法是反射太阳的电磁辐射,包括紫外线(UV)和近红外线(NIR)辐射。近红外线能够先加热吸收它的皮肤,并在被发射时,将皮肤缓慢冷却下来。然而,这种冷却过程会受到空气的阻碍,因为发射的近红外线经常立刻被附近的水分子吸收,从而加热周围的空气,无法达到降温效果。

为了加快冷却过程,科学家们试图从中红外线辐射(MIR)着手。我们人体的皮肤会自然发射MIR,这是一种波长更长的红外线,它不会被周围空气中的分子吸收,因此能够有效降温,这种技术被称为“辐射冷却(radiative cooling)”。

在过去的十年里,工程师们已经在利用这种原理来设计屋顶、塑料薄膜、木材和超白涂料等。

 降温新型织物的结构示意图,下方蓝色、绿色和红色分别表示响应UV、NIR和MIR条带的三级结构

 降温新型织物的结构示意图,下方蓝色、绿色和红色分别表示响应UV、NIR和MIR条带的三级结构

2017年,斯坦福大学(Stanford University)崔屹教授的实验室设计了一种透明的辐射冷却织物,能够使穿戴者体表温度降低约3°C。但为了保证足够的MIR透射率,这种织物必须非常薄,只有45 μm,其它类似的织物最厚也不超过150 μm,这可能会影响它们的结构韧性与使用持久性。

为了增加织物的厚度,浙江大学的马耀光博士与华中科技大学陶光明教授领导的团队设计了一种新型多层复合微纤维织物,厚度约为550 μm,由聚乳酸、合成纤维与二氧化钛纳米颗粒混合制成。这款织物利用化学键吸收身体热能,并将其能量作为MIR重新发射出去。

用这种织物制作的衣服虽然看起来很普通,但从光学角度看,就像一面“镜子”,除了发射MIR,还可以反射紫外线、可见光和近红外线,进一步为穿戴者降温

降温新型织物的制造过程

降温新型织物的制造过程

为了测试织物的降温能力,研究人员组装了一个贴身的背心,一半是新型织物,一半是普通棉布。

接着,一名研究生穿上这款由两种织物拼成的背心,在阳光直射下坐了一小时。红外摄像显示,他的皮肤温度在新型织物下的一面比在普通棉布下低了4.8℃,而且他也能感受到两侧温差。

 人体试验表明,相比普通棉布,这款新型织物能够有效降低人体体表温度

 人体试验表明,相比普通棉布,这款新型织物能够有效降低人体体表温度

崔屹教授评论补充道,由于迄今为止,MIR发射技术一直用于朝天的固定表面,因此下一步应该测量当人们站立或行走时,织物的降温效果。并且因为其降温原理依赖于与皮肤的紧密接触,研究人员还可以探索它在宽松穿戴时是否也能发挥作用

崔屹教授(左)、陶光明教授(中)和马耀光博士(右)|各大学官网

崔屹教授(左)、陶光明教授(中)和马耀光博士(右)|各大学官网

这款织物除了具有高效的辐射冷却能力外,还拥有卓越的机械强度、防水性和透气性,并且它的主要材料可降解,有助于保护环境。它可以大批量制造,而且制作服装的成本很低,因此有望惠及每个普通民众

研究人员还希望能开发出用它制作的帐篷、伞、汽车罩等多种防晒降温用具。比如,使用这种织物制作口罩和防护服,在提供保护的同时,可以让医务工作者获得更好的舒适感。

希望新型织物制作的防晒衣能早日推出,我们就再也不用怕夏日高温啦!