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新智能布料:想散热还是御寒?翻个面就能切换

据报道,美国科学促进会(AAAS)下属的学术期刊《科学进展(Science Advances)》发表了崔屹团队的最新研究成果。在纳米多孔聚乙烯材料中嵌入双层发射极后,形成的织物可以在不需要电线、外来电源的情况下,具有降温和保暖两档功能,且切换功能时仅需调整织物的正反面。这将拓宽人们对环境温度的舒适范畴,增强皮肤对环境的适应性。保持稳定的体温是生理功能的重要基础。在冬天和夏天,人们除了增减衣物,改变身体与环境之间的热交换之外,只能通过开空调等改变环境温度的方式来让体温保持在正常水平。

斯坦福崔屹发明新智能布料:想散热还是御寒?翻个面就

崔屹团队希望通过纳米技术,研发智能布料,以调控红外辐射率的方式来改变体温,减少相关能源消耗。要知道,在绝对零度以上的物体都辐射红外能量。人体静止时40%-60%的散热是通过红外辐射。

在2015年和2016年,崔屹团队分别发明了两种智能布料。一种是在常规的织物上增加金属纳米涂层,将红外辐射折射回人体,起到保温的作用。另一种则是从家庭常用的保鲜膜(聚乙烯)上取经,将其改造成纳米多孔聚乙烯,在保证红外辐射可通过的同时,解决了保鲜膜对可见光透明的问题,成为一种可降温的织物。

而这次的最新研究成果,崔屹团队发明了一种鱼与熊掌兼得的材料,可在降温和保暖两档功能之间切换自如。

这款新材料的设计核心在于,将非对称发射极嵌入到不同厚度的纳米多孔聚乙烯中。选择什么材料作为发射极,以及用什么制备方法是难点。

最终,崔屹团队分别选择了碳和铜作为两层发射极涂层的材料。碳能很好地吸收中红外辐射,是理想的高发射率材料。与之相反的,金属会对中红外辐射进行反射,是合适的低发射率材料。

以碳为材料的高发射率层、以铜为材料的低发射率层分别放于一层纳米多孔聚乙烯之上。随后,研究人员将两层发射极层叠放在一起,形成纳米多孔聚乙烯-高发射率层-低发射率层-纳米多孔聚乙烯,这样的结构。但靠近发射极层的纳米多孔聚乙烯厚薄不同,碳发射极一侧的厚度为24微米,铜发射极一侧的厚度为12微米。

崔屹团队研发的新材料结构。自上而下分别为24微米的纳米多孔聚乙烯,9微米的碳,0.15微米的铜,12微米的纳米多孔聚乙烯。为了验证效果,研究人员用人工皮肤进行实验。在裸露的情况下,皮肤温度为31摄氏度。盖上商店里普通运动衫的布料时,人工皮肤的温度升为36.9摄氏度。

新材料的表现呢?崔屹团队发现,在降温模式,也就是将靠近碳发射极的一面朝外时,人工皮肤的温度下降为33.8摄氏度;在保温模式,也就是将织物翻个面,以靠近铜发射极的一面朝外时,人工皮肤的温度回升到40.3摄氏度。换而言之,在无需其它帮助下,这款新材料可调控6.5摄氏度的体温波动。

在人工皮肤上进行测试。黑色为裸露时皮肤温度,灰色为普通面料遮盖时皮肤温度,蓝色为新材料降温模式时,红色为新材料保暖模式时。进一步地,研究人员发现,这种材料之所以能兼备两种截然不同的功能,不依赖于材料发射率的绝对值,而在于发射率的差值。只有铜发射极或只有碳发射极的织物没有如此好的温度调控能力。

通过数值拟合,崔屹团队预测,将发射率的差值增大后,这种织物的温度调控差可达14.7摄氏度。

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