如果能將被動輻射冷卻結構應用到個人熱管理技術中，那么，人類將可以有效地抵御日益加劇的全球氣候變化。
在此，來自浙江大學馬耀光&華中科技大學陶光明等研究者，研究表明，得益于超構織物中隨機分散散射體的分層形態設計，大型機織超構織物可以提供高的大氣窗口發射率(94.5%)和太陽光譜反射率(92.4%)。相關論文以題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”于2021年07月08日發表在Science上。
1. 通過可擴展的工業紡織制造路線，研究者的超纖維織物展現了卓越的機械強度、防水性和商業服裝的透氣性，同時保持了有效的輻射冷卻能力。
2. 實際應用試驗表明，用該超構織物覆蓋的人體溫度比用普通棉織物覆蓋的人體溫度低約4.8℃。
隨著全球變暖加劇，暴露在室外環境中的人們，更容易因過度熱應激而患病。個人熱管理(Personal thermal management, PTM)是一種控制人體微氣候的技術，可以高效地實現人體的熱舒適。然而，目前PTM設計的能耗大、體積大等關鍵問題，還沒有得到解決。
輻射冷卻是一種很有前景的冷卻方法，通過大氣透明光譜窗(ATSW， λ~8-13 μm)將熱量直接輻射到外層空間。利用納米光子結構(如多層光子結構、超材料和隨機介質)的方法，同時通過引入太陽輻照抑制和增強發射的熱輻射，成功地產生了日間輻射冷卻裝置和系統。然而，大多數輻射冷卻結構(薄膜、涂層、涂料等)仍然導致空氣/水滲透性較弱，耐磨性不佳，使得這些材料難以直接應用于PTM系統。
研究人員已經測試了各種類型的中紅外透明輻射冷卻紡織品。但是，為了保持足夠的MIR透光率，MIR透明結構的厚度被嚴格限制在~150 μm以內。太陽能的加熱阻塞和結構韌性，使得其在這種厚度水平上變得具有挑戰性。相比之下，MIR-輻射紡織品的性能不依賴于下墊面的光譜，因此放寬了對厚度的限制。然而，目前關于MIR-輻射冷卻紡織品或纖維的研究還很少。
在此，研究者設計了一種用復合微纖維編織的多層超材料織物，它結合了分層設計的隨機超材料結構，直接將輻射冷卻技術用于PTM應用。
如圖1A和B所示，層級形態設計機制直接提供了一個可擴展的光譜響應，波長橫跨兩個數量級(0.3~25 μm)，并使超構織物能夠共振抵制太陽能，并在MIR范圍內強烈發射。該多層超濾織物，由氧化鈦-聚乳酸(TiO2-PLA)復合機織織物與薄的聚四氟乙烯(PTFE)層壓而成。頂層層壓設計為50 μm厚的聚四氟乙烯(PTFE)服裝薄膜，在服裝工業中廣泛應用。
當工作溫度低于環境溫度時，選擇性發射器適用于輻射冷卻應用。對于上述環境溫度場景，全MIR波段的有效發射都是有用的。因此，選擇具有C=O (1825~1725 cm-1)、-CH3 (1454.49 cm-1)、-CH (1382~1300 cm-1)、C-O (1042~1267 cm-1)和C-C (867.67 cm-1)鍵的聚乳酸微纖維，在MIR波段具有豐富的發射率。
研究者利用Lorenz-Mie理論和蒙特卡羅模擬的數值模型進一步優化了輻射冷卻性能。研究者選擇的納米粒子具有對數正態分布(μ= 6.2， σ2 = 0.2)，峰值直徑為400 nm，因為它們能最大程度地提高織物的遮陽性能(圖1C)。如此廣泛分布的納米顆粒，當與聚四氟乙烯納米球結合時，在UV-VIS-NIR波段提供了廣譜散射和反射率(圖1D)。采用穩態傳熱模型，在皮膚溫度為34°C和環境溫度為22°C的條件下，對超構織物的輻射冷卻性能進行了數值評估。在400 ~ 600 μm的厚度范圍內，研究者觀察到一個凈冷卻功率平臺，在大約500 μm處，出現了最有效的冷卻行為(圖1E)。
通過實現亞纖維級的層次形態設計，研究者獲得的亞纖維織物的可伸縮制造具有極大的靈活性(圖2A)。超構纖維(圖2B)表現出優越的拉伸性能，伸長率為29.5%，斷裂強度為1.886 cN/dtex(圖2C)，其柔韌性和強度足以通過商用縫紉機縫合和刺繡(圖2D)。力學測試表明，該超構織物(圖2E)可以承受~482 N的拉伸力和~20%的伸長率，與其他商品織物的力學性能相當(圖2F)。超構織物的疏水表面具有良好的防水性能(圖2G)，同時，仍保持了一定的透氣性。當夾在空氣和水環境中時，超構織物表現出連續的氣泡透光率和緊密的防水性能，這有利于傳統的熱交換機制和良好的耐磨性(圖2H)。
從研究者的分層形貌設計中，織物在太陽輻射區(0.3~2.5 μm)顯示出92.4%的寬帶反射率，在ATSW上的平均發射率為94.5%(圖2I)。4~25 μm的高發射率寬帶可以提供額外的冷卻功率，該超構織物的工作溫度高于環境時使用的PTM場景。
在中國廣州晴朗的天空條件下，研究者通過直接熱測量證明了該超構織物的室外輻射冷卻性能(圖3,A和B)。為了保證熱測量的準確性和均勻性，每個織物樣品的溫度通過粘在銅板上的3個K-型熱電偶進行監測(圖3C)。在連續24小時的測量期間，超基織物的溫度始終低于環境溫度(圖3D)。此外，人體皮膚模擬器上測試了該超構織物的輻射冷卻性能(圖3E)。在11:00-15:00的峰值太陽輻照度下，超構織物的溫度分別比棉、氨綸、雪紡綢、亞麻和裸皮模擬溫度分別低約5.0°、6.8°、7.0°、5.8°和10.2°C(圖3F)。
為了驗證該超織物在實用場景中具有可伸縮、可穿戴的特性，研究者將一種商用棉織物和一種超織物縫在一起，制成了一件自制背心。
一名穿著該背心的志愿者，在陽光直射下躺了一個小時，研究者監測了背心和志愿者的熱特性(圖4A)。熱攝像機(Fluke Ti400)顯示背心兩側的溫度差很大(34.4°和31.0°C)。粘在背心下的熱電偶也表明，不同織物覆蓋的身體部位之間的溫度差為~4.8℃(圖4B)。
為了重復性，在中國的西雙版納對輻射冷卻背心進行了類似的測試。在半小時的測量過程中，背心的每一半表面逐漸呈現出明顯的溫差(圖4C)。令人驚訝的是，在脫下背心后，兩半身體顯示出了超過3℃的明顯溫差。另外，研究者分別用一個商用車罩、研究者自己的超構織物和沒有覆蓋的三種汽車模型，測試超構織物的冷卻性能(圖4A)。在90min的實驗中，覆蓋了超構織物的汽車模型的最大內部溫度分別比沒有遮擋和有遮擋的模型低~30°和~27°C(圖4D)。
綜上所述，研究者的超構織物表現出高效的散熱性能，并為PTM提供必要的透氣性和穿著舒適性。與薄膜或涂料等被動冷卻方式相比，這種編織結構使超材料易于適應復雜的變形(彎曲、拉伸和扭曲)，從而產生多種兼容性。此外，超織物可通過刺繡、裁剪和縫紉等手段，集成到不同場景的各種產品中，如服裝、帳篷、車罩、窗簾、遮陽篷等。對纖維結構特性的進一步優化和探索，有望通過輻射冷卻和排汗蒸發的聯合作用提高冷卻效率。
S. Zeng et al., Science 10.1126/science.abi5484 (2021)
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484
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