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华中科技大学团队研发出超材料辐射制冷织物 穿上它可降温近5℃
2021-07-13 13:53
华中科技大学
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  7月9日,《科学》杂志在线发表了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。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。

  辐射制冷技术旨在通过光谱调控,使地表物体在8-13 μm的大气透明窗口(Atmospheric Transparent Spectral Window, ATSW)将热量高效辐射到温度接近绝对零度的外太空中,从而实现零能耗的无源制冷。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,故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。

  陶光明团队和马耀光团队在辐射制冷织物研究领域取得重要进展,提出了一种形态分级结构的光学随机超材料织物(Metafabric),其根据织物空间结构、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。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。在对汽车模型的降温测试中(广州,2020年12月7日),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。此外,Metafabric对暴露于阳光的实际人体也具有显著的降温效果(广州,2020年12月7日),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。

图Metafabric与棉对人体体表降温对比测试。(a)人体体表降温测试照片;(b)人体体表降温对比测试红外图(左边为棉,右边为Metafabric)

  本研究论文的第一作者是武汉光电国家研究中心硕士生曾少宁、浙江大学光电科学与工程学院博士生片思杰。陶光明和马耀光为共同通讯作者。该项目合作单位还包括山东赛动新能源科技有限公司、武汉纺织大学、青岛大学、中国纺织科学研究院有限公司,该研究工作得到了国家自然科学基金委员会的经费支持。

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