🔥 热搜 🔥
上海习近平新疆鄂州父女瓜乌鲁木齐疫情H工口小学生赛高习明泽芊川一笑图包印尼排华
分类
社会娱乐国际人权科技经济其它
🔥 热搜 🔥
百度今日热点微信公众平台贴吧opggdnf私服百度贴吧知乎dnf公益服百度傻逼
分类
社会娱乐国际人权科技经济其它
查看原文
其他

前沿进展 | 可批量制备的分级形态结构光学超材料织物：实现零能耗日间辐射制冷

两万人都 爱光学 2022-05-13
收录于合集 #前沿进展 125个


“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读
华中科技大学陶光明教授与浙江大学马耀光教授团队等多家科研和产业单位进行交叉学科联合创新，基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发了具有形态分级(Hierarchical-morphology)结构的超材料织物(Metafabric)，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。研究成果以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”为题，于2021年7月8日在线发表在Science上 (DOI: 10.1126/science.abi5484)。2021 | 前沿进展

2 研究背景

基于热传导和热对流的传统制冷方案，其热量转换过程主要利用地表~300K的周围环境作为散热源，耗能且散热效率有限。由于地球存在8-13 μm的大气透明窗口(Atmospheric transparent window)，与包括人体在内的地表物体的中红外辐射光谱基本重叠，这使得利用外太空环境进行制冷成为了可能：通过选择性的光谱调控，面向天空的地表物体可以高效阻挡太阳辐射，同时通过大气透明窗口向宇宙辐射热量，从而通过远程获取宇宙的寒冷实现零能耗的辐射降温。

随着近几年微纳光学的发展，研究人员已利用波长或亚波长尺度的微纳结构设计，实现在太阳辐射波段和中红外波段具有选择性光谱特性的日间辐射制冷系统，如光子晶体、超材料和随机介质。这使得辐射制冷技术有望成为传统耗能热管理技术极具潜力的替代及补充方案。

基于辐射制冷技术的人体热管理织物（即辐射制冷织物）在近年来也被广泛研究，在个人热管理领域逐渐受到重视。但目前织物的光谱调控范围主要集中在中红外波段，这虽能满足热学调控的基本要求，但太阳辐射波段的吸收使得这类织物在户外暴晒环境难以实现有效的辐射制冷。对太阳辐射波段的高效调控，往往需要在织物内部引入如空气孔、介质颗粒、聚合物纳米纤维等结构。但此类方案在实现高的太阳反射率的辐射制冷织物时仍面临提高散射效率、降低紫外吸收以及如何提升制备技术兼容性等挑战。

3 研究创新点1
形态分级的结构设计
图1 基于分级形态结构设计的超材料织物的结构和仿真性能。(A) 用于日间辐射冷却的超材料织物示意图。(B) 多孔薄膜电镜图; 比例尺，5 μm。(C) 超材料纤维横截面的电镜图; 比例尺，5 μm。(D) 超材料织物中不同尺寸颗粒的散射和吸收效率计算。
具有形态分级结构的超材料织物宏观上体现为多层织物结构。其根据织物的多层空间结构、纤维结构、以及纤维内部纳米结构，在不同的空间、不同的尺度上进行分级，形成了一种宏观有序，微观随机的形态学分级体系。根据该结构设计，顶层的聚四氟乙烯多孔薄膜、底层主体织物中的二氧化钛纳米颗粒及微米级的聚乳酸聚合物纤维，分别响应紫外、可见-近红外以及中红外波段，为超材料织物提供了宽谱的太阳反射以及高效的中红外发射。形态分级的设计理念拓宽了随机结构的光谱响应范围，同时有效避免了不同波段光谱之间的串扰，优化了光谱响应的效率，为实现涵盖太阳辐射波段至中红外波段的高效宽光谱调控提供了一种可行的解决方案。
3 研究创新点2
与批量制备的先进纺织技术相兼容
基于批量纤维制备技术获得了均匀连续的超材料纤维，进一步利用纺纱织造和层压技术，制备得到了超材料织物。超材料织物借助大气透明窗口(8-13 μm)增强热量与外部寒冷空间的热交换，并对整个太阳辐射波段(0.3-2.5 μm)实现高效的阻挡，在太阳光波段(0.3-2.5 μm)具有92.4%的反射率、在中红外波段(8-13 μm)具有94.5%的发射率。基于可扩展、高通量、全自动制造技术，可以与整个成熟纺织行业相兼容，克服了长期以来将实验室规模的织物应用于热管理实际场景的挑战。
超材料织物依托于成熟的工业纺织设备和配套延伸的工艺研发，通过进一步产研结合，能够突破从实验室到小试、中试阶段的技术瓶颈；基于强大的加工能力、产业战略合作关系以及技术迭代能力，超材料织物将有望打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业，推动从基础材料到功能性纺织成品的全链条产业服务，实现以交叉学科创新驱动促进纺织业的转型升级。
 图2 超材料纤维及织物照片。(A) 超材料纤维照片; 比例尺，10 cm。(B) 超材料织物照片; 比例尺，20 cm。
3 研究创新点3
阳光直射的户外环境实现良好的降温效果
图3 超材料织物降温性能测试。(A) 超材料织物与棉对人体体表降温对比测试照片。(B) 人体体表降温对比测试红外图（左边为棉，右边为Metafabric）。(C) 超材料织物与商用市售车罩降温性能对比测试（广州，2020年12月7日）
超材料织物具有良好的日间辐射制冷能力，在无源条件下，可实现全天低于环境温度2-10℃的辐射制冷效果（广州，2020年12月5-6日）。在正午时间段的模拟人体测试中（广州，2020年11月28日），超材料织物所覆盖的模拟皮肤相较于棉、氨纶、雪纺、麻一系列同色商业面料可低5-7 °C。在人体表面降温测试中，相较于商用白色棉，相较于商用白色棉，超材料织物可对人体体表降温近5 °C（广州，12月7日），在站立情况下展现明显的降温效果。进一步地，利用红外相机记录人体体表的温度变化（西双版纳，12月13日），结果显示，在长达30分钟的日照后，志愿者前胸左右两侧体表呈现出明显温差（图3 A-B）。此外，在模拟人体排汗降温测试中（天津，2021年5月5日），超材料织物相较于白色棉织物可降温~4 ℃。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低于覆盖市售车衣的汽车模型超过27 °C（图3 C），低于无覆盖的汽车模型超过30 °C，在阳光直射的室外环境下展现了显著的降温效果。超材料织物为辐射制冷织物的设计提供了一种全新的思路，为实现极端环境下的户外个人热管理提供了一种低碳环保的、低成本的、可批量制备的解决方案。
超材料织物与棉在人体皮肤表面降温性能对比测试（西双版纳，2020 年 12 月 13 日）（来源：Science）
4 总结与展望
基于形态分级设计的超材料辐射制冷织物，具有与现代纺织工业相兼容、零能耗、低成本、可批量制备等特点。通过光子学调控，超材料织物在实现微环境的高效热管理方面显示出独特优势。本次的研究成果展现了超材料织物在推动功能性织物发展、服务人类生产生活的巨大潜力，受到人民日报、新华社、科技日报、学习强国、Science News等媒体的广泛关注。该工作由华中科技大学、浙江大学、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生物源纤维制造技术国家重点实验室智能织物工作室等合作完成。华中科技大学硕士研究生曾少宁和浙江大学博士研究生片思杰为论文共同第一作者，华中科技大学陶光明教授和浙江大学马耀光研究员为论文共同通信作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会的经费支持（61875064、61905213）。论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484
推荐阅读：

前沿进展 | 铌酸锂光子芯片上实现外尔点的旋转

前沿进展 | 高阶光学涡旋晶格——轨道角动量的再开发

前沿进展 | 非布洛赫宇称-时间对称的实验实现

前沿进展 | 明亮高效的单层超薄钙钛矿白光LED

前沿进展 | 非线性黄昆方程与太赫兹巨非线性效应的实现

END


由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：lvxuan@siom.ac.cn

点在看联系更紧密

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题？点此查看未经处理的缓存