材料学新突破,正穿保暖反穿降温!斯坦福大学崔屹团队惊奇发明,纳米控温布料问世全程零能耗

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材料学新突破,正穿保暖反穿降温!斯坦福大学崔屹团队惊奇发明,纳米控温布料问世全程零能耗
麻省理工科技评论 2017年12月2日

2017年12月2日

由于贴身穿着,不管任何织物,贴着皮肤的内层主要的传热方式是热传导。
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由于贴身穿着,不管任何织物,贴着皮肤的内层主要的传热方式是热传导。

近日,著名华裔科学家崔屹领衔的一支斯坦福大学材料科学研究团队,发表了一项极富想象力的研究成果——一款拥有神奇功效的全新“布料”:贴身穿着时,它不需要任何外界能量输入,就可以调节人体向外辐射热量的多少;正面穿着时,可以帮助人体保温,而如果“里面朝外”翻过来穿,竟然会帮助人体散热!

该团队称,这项发明有望将体感温度的舒适区间扩大 14.7°C 之多,从而让人在很大的温度范围内都保持舒适,更会显著降低大量的建筑物制冷/制热能耗。衣服这种古老的发明,对于人类的重要作用毋庸置疑。不过,有趣的是,从兽皮、树叶开始,到丝绸、棉布、化学纤维,尽管衣服的材料不断地更新,但它们的基本作用也从来都没有变过,那就是:减少散热,增加体表温度。

进入到现代社会,人类发明了空调、暖气等一系列设备,以保证室内的人们在穿着适量衣物的情况下,就可以维持合适的体感温度。这个我们已经习以为常的任务,事实上消耗着大量的能源。以美国为例,建筑物为了维持合适温度所消耗的能源,高达全社会总能耗的 12%。我们可能也从未觉得这么做有什么不妥。直到斯坦福大学的崔屹团队发明出了一种神奇的材料:“人体辐射式加热/制冷双模织物”。说是“织物”,但它并不是用什么纤维织起来的,而是由纳米材料制成的。

这种贴身穿着的神奇“布料”不依赖制冷剂,也不用需要暖宝宝里铁粉的氧化反应,只需厚度为几十微米的薄薄一层,就可以实现被动式的辐射换热:正面穿,可以最大限度减少人体对外的热辐射,实现体表保温;反面穿,最大限度增加人体对外辐射,比常规衣物明显凉快得多。

这块布料为什么会这么神奇呢?这要从人体维持体温的原理说起。作为一种恒温动物,人是通过体内产热和体表散热的动态平衡来维持合理的体温的。所谓的体内产热,就是通过类似于燃烧燃料的方法,消耗葡萄糖等能量物质产生热量;而散热则包括热传导、对流换热和辐射换热三种形式。其中,人体静止时,有 40%-60% 的散热量是通过向外辐射红外线实现的。当周围的环境温度低于人体温度时,人体便可以把热量以电磁波(主要是红外线)的形式向外辐射。

因此,在维持体温的动态平衡中,如果辐射的热量大于体内产热,人就会降温;而如果辐射的热量小于体内的产热,则会升温。而辐射量的高低,主要取决于“辐射率”。辐射率是一个物体表面的固有属性,辐射率高,辐射出的能量就多;而辐射率低,通过热辐射带走的能量就少。因此,如果可以控制辐射率,让它在需要放热的时候变高,需要降温的时候变低,就可以改变人体对外辐射热量的多少,进而实现衣物帮助人体保温还是散热的调控。崔屹团队的神奇发明,利用的就是辐射率决定辐射量、而辐射量决定体表是升温还是降温的原理。

崔屹团队发明的“布料”——人体辐射式加热/制冷双模织物(dual-mode textile for human body radiative heating and cooling,简称双模织物),总共由三种材料构成:在上下两层,为对红外波段的热辐射几乎“透明”的纳米聚乙烯基底。两层纳米聚乙烯中间,夹着一个双层辐射体,由辐射率超高的碳薄层,和辐射率超低的铜薄层组成。

由于贴身穿着,不管任何织物,贴着皮肤的内层主要的传热方式是热传导。因此,内层材料的辐射率对织物整体的辐射率几乎没有影响——织物的辐射率主要取决于织物的外层材料。大部分的常规衣服面料的辐射率都在 0.8 左右,这个数字意味着它们只能以固定的散热量来为人体提供保温:在双模织物的双层辐射体中,碳层的辐射率高达 0.9(辐射率的理论上限为 1),意味当它朝外时,辐射散失的热量会大于体内的产热,从而导致体表温度的下降:而铜层的辐射率则只有 0.3。因此,当这一层朝外时,辐射散失的热量会小于体内的产热,从而起到比常规织物好得多的保温效果:

为了验证双模织物的效果,研究人员做了如下的实验:

在 22.0°C 的环境温度下,一个用来模拟人体体表的电加热器以 51 W/m2 的功率产生着热量。当加热器“穿”上一件普通针织衫的时候,其表面温度(模拟衣服下面的人体体表温度)为 36.9°C。换上双模织物后,碳层朝外时,其温度下降到了 33.8°C,比普通织物低了 3.1°C;而当铜层朝外时,温度升高到了 40.3°C,比普通织物高出 3.4°C!不同穿着方式造成的温差高达 6.5°C!

事实上,在去年,崔屹团队就已经实现了使用纳米多孔聚乙烯制作可以降温的织物。但用同一块布,正反面穿着却有着不同的效果,这还是第一次。他们的成果已经于近日发表在了《SCIENCE ADVANCES》杂志上。对于崔屹团队来说,这不过是他们发表的又一篇顶级期刊论文,但对于纺织业、服装业来说,却可能是具有特殊意义的一次技术突破。

首先,这是一件不需要消耗额外能源、不需要精密自动化控制,却可以实现“全天候”保持温度舒适任务的衣服。不论是早上的阴冷还是温暖的午后,它都可以提供全时段、全温段的服务,而不用总是“及时增减衣物”,或纠结于“二四八月乱穿衣”。当然啦,崔屹团队表示,如果配合上带有电源的可穿戴设备,他们可以让衣服变得更加智能、可控。其次,这还是一种廉价的技术。其中用量最大的材料聚乙烯,是非常常见的日常材料,常用于制作保鲜膜、食品包装等日用品。

也许在未来,我们就不用消耗那么多能源去维持所有的室内温度了。人人只需要穿着薄薄的一件衣服,就可以完美维持体表的温度和湿度。这种有些科幻片都不一定敢想象的场景,正在被科学家们变成现实。但在那一步前,崔屹他们的神奇布料要克服的实际应用障碍还有很多。比如,他们尚不能对湿度进行调节。还有,作为一件衣服,双模织物需要证明自己足够耐磨、耐洗。最后,大家剁手买衣服的时候,温度的需要经常让位给风度。户外衣物的面料科技含量再高,销量最好的面料还是纯棉、毛料等传统质地。

不过,时尚的潮流总是说变就变,或许过不了多长时间,微米级别厚度、可以同时御寒和散热、甚至可以精确调控温度的衣服,实现科技与时尚的完美统一。

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