极端高温频现，中国学者研发超材料织物穿上可降温近5摄氏度

尽管发生了具有降温效应的拉尼娜事件，2020年仍是全球自有记录以来最暖的三个年份之一。2021年入夏以来，多国遭受创记录的强劲热浪袭击。当极端天气越来越频繁，除了减缓人类活动导致的气候变化，适应极端气温带来的影响亦刻不容缓。为了帮助人们应对全球变暖背景下的户外极端气候条件，基于辐射制冷技术的人体热管理织物近年来被广泛研究。简单来说，就是通过衣物对人体进行热量调节以提高舒适度，达到“自降温”的效果。
在近期发表于国际顶尖学术期刊《科学》杂志的论文中，华中科技大学陶光明团队与浙江大学马耀光教授团队、中国纺织科学研究院陶光明智能织物工作室等多家科研和产业单位进行交叉学科联合创新，颠覆传统制冷理念，基于与人们日常生活最密不可分的服装，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），户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。
“可以把它想象成一个不用电的空调。”本技术的项目负责人华中科技大学陶光明教授对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，该材料基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，防晒同时降温。成本方面，折算到最终成衣的成本与普通衣服基本持平，仅增加1%-10%，不仅适用于运动员、清洁工、快递员和抗疫医护工作者等户外降温需求迫切的目标人群，也是普通人享受得起的科技新材料。

超材料织物照片

可无源使用的随身“空调”，从何而来？
人体热量从皮下组织传导到皮肤，再通过衣物向周围环境散发热量，从而维持动态热平衡和相对稳定的体温。因此，通过衣物进行个人热管理是维持人体个性化热舒适需求的有效方法。目前，基于热传导和热对流的设计能够相对有效地实现人体的热舒适，但仍不能摆脱耗能、笨重等固有缺陷。革新的超材料织物突破了既有思路，是材料-光学-纺织技术的跨领域多学科协同创新。
在烈日炎炎的午后，隔热和降温是如何同步实现的？不妨先来看看撒哈拉银蚁在极端高温下的生存之道。
撒哈拉银蚁会在中午阳光最强烈时在沙漠里觅食，彼时地表温度超过70摄氏度。银蚁身体顶部和侧边所覆盖的独特三角形横截面毛发就像一种反射涂层，使其能在反射太阳光照射的同时，将热量高效辐射到温度接近绝对零度的外太空中，从而保持身体凉爽。银蚁和外太空之间隔着厚厚的大气层，大气层里的各种气体会吸收不同波长的电磁波。但精妙的是，由于大气透明窗口（8-13 μm）的存在，地球表面处于该波长范围内的电磁波可以直接穿过大气层到达宇宙空间。
该论文共同通讯作者、浙江大学光电科学与工程学院马耀光教授对澎湃新闻解释称，超材料织物对太阳光光谱有很好的反射效果。通过分级形态设计，该织物能够拓宽随机结构的光谱响应范围，实现分波段波长的反射效果。同时，该织物在中红外波段（8-13 μm）具有很好的辐射效果，可以把中红外辐射功率最大化，将人体身上的热量辐射至外太空的绝对零度空间，实现制冷。

用于日间辐射冷却的超材料织物原理示意图

对于上述原理，陶光明教授在接受媒体采访时用了一个更通俗的比喻：穿在身上就像背着一面镜子，又外挂一台空调。镜子，不是说衣服像镜面一样直接反射阳光，而是通过纳米材料的特定排布，如同一个纳米迷宫，阳光照射进来，不断折射、拐弯，最后反射出去。空调，不是说衣服里有一个制冷设备，而是利用宇宙背景的绝对低温冷源，保持与它的热交换通道的畅通。
辐射制冷技术常被用在涂层或是薄膜上，但要使该技术与织物完美兼容，仍具有挑战。该论文共同第一作者之一、浙江大学光电科学与工程学院博士生片思杰对澎湃新闻解释说，超材料织物的突破性在于，研究团队对织物结构进行了优化，将反射率提高到90%以上；可实现低成本、批量化生产；与以往的辐射制冷材料相比，穿戴舒适性、透气性大大增强。
超材料织物的主体由可生物降解的聚乳酸纤维编织而成，内部复合高折射率纳米散射介质，织物上部层压透气防水的服装膜。全新的结构设计将从太阳辐射波段到中红外波段（0.3-25μm）的光谱分为三个波段，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，为该织物提供了92.4%的高太阳光反射率和94.5%的高中红外发射率。
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℃的制冷效果。马耀光教授说，根据环境条件的不同，降温效果会呈现差异。上述降幅意味着，该材料具有较好的辐射制冷性能。

超材料织物与棉对人体体表降温对比测试（西双版纳，2020年12月13日）。 (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）

论文实验数据显示，研究团队制作一半棉、一半超材料织物的自制背心进行实际人体皮肤测试，相较于商用白色棉织物，覆盖超材料织物的人体表面降温近5 ℃（广州，2020年12月7日）。后续研究团队与2020年12月13日在西双版纳再次进行测试，并用红外相机记录全程的温度变化情况，测试结束后脱下背心，志愿者前胸左右两边呈现明显温差。在模拟汽车测试中（广州，2020年12月7日），覆盖超材料织物的汽车模型内部温度，相较于覆盖商用车罩的模型可降温超过27 °C，相较于无织物覆盖的模型可降温超过30 °C。
性价比如何？量产后将成为平价产品
近年来，关于降温织物材料的科研成果频出。比如，2016年斯坦福大学崔屹教授团队研发出一种纳米聚乙烯（nanoPE）材料，通过让织物变成中红外透明，让身体散热。2019年，马里兰大学欧阳敏教授团队发明的织物利用织物本身收缩性，通过外界和身体之间通风实现更好的散热效果。
马耀光教授认为，这些发明是以不同思路达到同样的结果；在应用层面，不同环境中可能会有不同的需求。“他们实际上是一个互为补充的关系。”其评价道。
该项目从最初研发启动、有望推广到实际产出超材料面料，历时三年左右。研究团队对澎湃新闻记者表示，从一开始选材，到材料处理，再到结构设计，过程中遇到过大大小小不计其数的挑战。
比如理论上设计的比例在实际中可能做不到。在投入生产时，工业化大生产的设备无法达到实验室设备的精度。“这时需要很多经验丰富的技术工人一起协助我们，中国纺织科学技术研究院于2019年年底成立了陶光明智能织物工作室，对项目的推动提供了很大帮助。”陶光明介绍说，从样品的加工到测试，也是克服了许多困难，比如生产用的工业设备会有一些杂质污染材料，要想办法将杂质去掉。科研团队在工艺上做了很多摸索，将问题逐一破解。”
“卡壳的问题太多了，每往前推进一步就会遇到一些问题。”论文第一作者、华中科技大学武汉光电国家研究中心硕士生曾少宁对澎湃新闻回忆称，从纤维到编织，团队耗费了不少时间。科研进度还受到了突然爆发的新冠疫情影响。2020年10月左右，团队初步制出初代织物，开始测试。“为了实现光学性能和织物服用性能的最佳匹配，我们根据编织过程的反馈我们又重新调整纤维的制备，根据测试的结果调整工艺参数，反复优化。”
最终，在跨多学科的交叉协同创新下，团队实现了从“一颗聚合物颗粒”到“一卷超材料面料”的长链条征程。

华中科技大学陶光明（中间左）、浙江大学马耀光（中间右） 及部分研发人员

成本低，是超材料织物的一大优势。据马耀光介绍，相比于普通织物，超材料织物所制备的成衣，其预计价格与普通衣服相差不大。这也意味着，与目前价格较贵的液冷服、空冷服相比，超材料织物能使更多普通人享受到这一科技成果。“我觉得这对社会可能会有一些更有意义的价值。”马耀光说道。
该研究显示，超材料织物具有较好的透气性、防水性、柔软舒适性等优点，同时其也能与商业缝纫技术兼容，进行刺绣、切割与缝制。目前的超材料织物为白色织物，颜色多样性方面的突破，仍需进一步探索。
武汉光电国家研究中心发布的一篇介绍文章称，除了论文中所公开的测试结果，超材料织物团队对降温口罩的初步样品也进行对比测试，相比之下超材料织物具有优异的性能，可以在多种场景中广泛应用。
当前疫情防控形势下，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。目前，研发团队已将超材料织物成功应用于防护口罩和防护服，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（2-5摄氏度），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具有更好的热舒适。
“现在联系我们的人有点多。”据陶光明教授透露，从项目开始至今，已有大量化纤制造、纺纱纺织、时尚服饰等领域的行业巨头主动对接交流合作。下一步，超材料织物还有望为体育赛事作一些科技支撑。
此外，聚乳酸材料只是该团队研究的原材料之一。“我们现在也在做涤纶、氨纶、尼龙等，都做得非常顺利。这些是年产量非常庞大的化纤材料。”陶光明表示。(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)