華中科技大學研發(fā)新型光學超材料織物 可讓人體體表溫度降低近5攝氏度

超材料織物既能防曬，又可讓人體體表溫度降低近5攝氏度，具有優(yōu)異的可穿戴性，并與整個紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應用。

剛剛過去的夏天，相信很多人一定為了不被曬黑而費盡心機，其中穿上防曬衣不失為一種防曬的好方法，但由于防曬衣的材質(zhì)問題，穿上往往悶熱不透氣，不穿又難逃紫外線“魔爪”。

那么有沒有一種材料可以讓我們魚與熊掌兼得呢?

最近，華中科技大學陶光明團隊與多個科研單位交叉學科創(chuàng)新，突破性地研發(fā)了一種具有形態(tài)分級結(jié)構、可大批量制備的光學超材料織物(以下簡稱超材料織物)，該織物既能防曬，又可讓人體體表溫度降低近5攝氏度，具有優(yōu)異的可穿戴性，并與整個紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應用。相關成果發(fā)表在美國《科學》雜志上。

既能防曬又能降溫

近年來，為幫助人們應對戶外極端氣候條件，基于輻射制冷技術的人體熱管理織物被廣泛研究，即通過衣物對人體進行熱量調(diào)節(jié)以提高舒適度，達到“自降溫”效果。

目前，基于熱傳導和熱對流的設計雖然能讓人感覺溫度舒適，但不能擺脫耗能、笨重等固有缺陷。

“在生產(chǎn)生活中，如何高效率、零能耗避免人們受到來自室外高溫暴曬的熱應激傷害?我們已經(jīng)做了很多有益探索。”8月23日晚，華中科技大學武漢光電國家研究中心和材料科學與工程學院雙聘教授陶光明走進直播間，以《交叉學科創(chuàng)新實現(xiàn)無源制冷超材料織物》為題，講述了他們的科研故事。

此前，陶光明教授團隊與其他科研和產(chǎn)業(yè)單位合作，研發(fā)了一種形態(tài)分級的光學超材料織物，可實現(xiàn)被動降溫，使被制冷物的溫度比周圍環(huán)境低2—10攝氏度。

研究團隊基于輻射制冷原理和形態(tài)分級的設計理念，設計制造出一種超材料織物，根據(jù)織物空間結(jié)構、纖維結(jié)構以及纖維內(nèi)部納米結(jié)構，在不同空間、不同尺度上進行分級，形成了一種宏觀有序、微觀隨機的形態(tài)學分級體系。依據(jù)該結(jié)構設計，可將太陽輻射波段到中紅外波段的光譜分為3段，交由超材料織物中的不同級次響應，最終實現(xiàn)紫外、可見—近紅外及中紅外波段的寬光譜精準調(diào)控，有效避免不同波段光譜串擾，優(yōu)化光譜響應效率。

研究顯示，相比于同色、同厚度的棉、氨綸、雪紡、麻等商用織物，超材料織物可明顯“自降溫”。

“將這種材料做成衣服穿在身上，就像背著一面鏡子，外掛一臺空調(diào)。”陶光明說，“鏡子”不是說衣服像鏡面一樣直接反射陽光，而是指通過對超材料織物進行特定地排布和設計，如同打造了一個納米迷宮，陽光照射進來，不斷折射、拐彎，最后反射出去，以實現(xiàn)最大限度的光反射，阻擋熱量輸入。

“空調(diào)”也不是在衣服里加裝制冷設備，而是利用宇宙背景的絕對低溫冷源，借助大氣透明窗口(8—13微米)，增強人體與外部寒冷空間的熱交換，最大化人體輻射散失，達到降溫效果。

工藝流程與紡織行業(yè)兼容

如此高端的材料能否大規(guī)模生產(chǎn)呢?

陶光明說，超材料織物選用綠色環(huán)保的紡織用聚合物原料，工藝流程與整個紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣和產(chǎn)業(yè)化應用。

2020年12月7日，研究團隊在廣州制作了一半棉、一半超材料織物的自制背心進行實際人體皮膚測試，與白色棉織物相比，覆蓋超材料織物的人體表面降溫近5攝氏度，在站立情況下展現(xiàn)明顯的降溫效果。

此外，在2021年5月5日天津進行的模擬人體排汗降溫測試中，研究團隊發(fā)現(xiàn)超材料織物相較于白色棉織物可降溫約4攝氏度。在廣州的模擬汽車測試中，覆蓋商用車罩可使汽車模型內(nèi)部降溫3攝氏度，而覆蓋超材料織物可降溫超過30攝氏度。

研究團隊基于批量纖維制備技術獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維，進一步利用紡紗織造和層壓技術，制備得到了超材料織物，克服了長期以來難以將實驗室制造的織物應用于熱管理實際場景的挑戰(zhàn)。

陶光明介紹，研究團隊對織物結(jié)構進行優(yōu)化，將反射率提高到90%以上。同時，超材料織物具有較好的透氣性、防水性、柔軟舒適性、可穿戴性等優(yōu)勢。“從制衣成本上看，超材料織物成衣和普通織物衣服基本持平，僅增加1%—10%的成本。”陶光明說，超材料織物不僅適用于運動員、清潔工、快遞員、外賣員和抗疫醫(yī)護工作者等戶外降溫需求迫切的目標人群，也是普通人享受得起的科技新材料。

產(chǎn)業(yè)化應用任重道遠

“超材料織物將有望打造具有超高產(chǎn)業(yè)附加值的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)以交叉學科創(chuàng)新驅(qū)動紡織業(yè)轉(zhuǎn)型升級。”陶光明直言，超材料織物技術革新的未來影響將十分深刻。

超材料織物實現(xiàn)了材料—光學—紡織技術跨領域多學科協(xié)同創(chuàng)新，并將推動傳統(tǒng)紡織業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。

陶光明坦言，如今超材料織物產(chǎn)業(yè)化仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。“首先要解決顏色單一的問題，現(xiàn)在的超材料織物都是白色，織物色彩多樣性方面還需進一步研究。”他說，此外，投入實際生產(chǎn)時，高速運行的工業(yè)化流水線設備是否能達到實驗室設備的精度等，都需要研發(fā)團隊接下來進行重點研究。

目前，陶光明所在的研發(fā)團隊已將超材料織物初步應用于防護口罩和防護服的制作。與傳統(tǒng)醫(yī)用防護材料相比，采用超材料織物的防護用品可以實現(xiàn)戶外2—5攝氏度的有效降溫，待進一步研發(fā)后，有望在保持醫(yī)用產(chǎn)品防護作用的基礎上給醫(yī)護工作者更好的體驗。

“現(xiàn)在各行各業(yè)聯(lián)系我們的人比較多，市場需求很強烈。”陶光明表示，項目從開始至今，吸引了大量化纖制造、紡紗紡織、時尚服飾等領域的行業(yè)巨頭，并且我們已與國內(nèi)外多家主流企業(yè)開始對接交流合作。

據(jù)悉，陶光明團隊正在與國家體育總局合作，有望讓該技術服務冬奧會及各類戶外體育賽事，為科技體育作出貢獻。同時，該技術還受到了社會各界的廣泛認可，團隊已與包括體育運動、戶外工裝、化纖紡織、時尚服裝、醫(yī)療健康、智能物流、汽車行業(yè)、石油化工等不同領域的國內(nèi)外多家標志性企業(yè)簽署協(xié)議，進一步推動新型技術的研發(fā)和應用。

一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，超材料織物原材料如何補充?

超材料織物的主要原料是可生物降解的聚乳酸纖維。陶光明表示，聚乳酸材料只是團隊研究的原材料之一。“我們正在做滌綸、氨綸、尼龍等材料的實驗，進展非常順利，這些化纖材料在中國的年產(chǎn)量非常龐大，沒有后顧之憂。”他說。(吳純新 高翔)

關鍵詞： 華中科技大學 新型 光學 超材料織物