随着全球气候变化，极端温度与极端日内温差的发生逐渐频繁，通过一件衣服在室外同时实现寒冷环境下的个人保温和炎热环境下的个人散热成为了亟待解决的重大挑战。

    近日，西湖大学仇旻课题组与浙江大学李强课题组合作提出了新型双功能室外个人热管理微纳织物。该微纳织物通过非对称光学特性，实现了只需对织物进行翻转，就能在散热和保温两种模式之间切换的、全天候室外个人热管理功能。在此基础上，该微纳织物还能够通过结合热电材料的方式实现高效率的热电产生。该织物的制备过程中使用铜、锌等常见材料，有望实现大面积的生产加工。相关论文以 “Outdoor personal thermal management with simultaneous electricity generation” 为题发表在Nano Letters 上，浙江大学光电学院博士生罗皓、朱屹凝为论文共同第一作者，仇旻教授与李强教授担任共同通讯作者。该成果同时被DeepTech、cnBeta、ACS Newsroom等十多家媒体报道。

原文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00400

室外个人热管理面临的挑战

人体是一个温度为 37 ℃的辐射源，其热辐射峰值波长在 10 μm 附近，这对应着大气透过窗口，辐射散热约占人体全部热耗散的 65%。此前的研究多数集中在室内个人热管理，室外个人热管理则鲜少有人涉足。

    主要有三个原因：

其一，室外人体辐射损耗更高，室外个人辐射热耗散速率是室内辐射热耗散速率的4倍，室外保温难度相比室内更高；

其二，室外太阳是 5500 ℃的黑体辐射源，织物对太阳光的吸收会显著提高散热难度；

其三，室外温度变化范围更大，且无法借助空调等手段调控个人热管理。

多年来，仇旻教授团队一直在用微纳光学结构，协同调控织物的太阳光谱特性与红外辐射特性。基于此前研究，他们开始研究兼容散热和保温功能的室外可穿戴织物，并提出这种具有非对称光学特性的微纳织物。

非对称光学结构实现保温、散热双功能

    该微纳织物的结构如下图所示：

图1：具有非对称光学特性的微纳织物的结构与原理示意图

中间一层是带有纳米孔的铝，其主要功能为增强太阳光中近红外光波的反射，铝上面是一种名为ePTFE（膨体聚四氟乙烯）的有机材料，该材料主要用在防水透气织物（如 Gore-tex）上；

最上层是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），它也是一种有机材料，其中多孔的PMMA涂层涂覆在 ePTFE 上，用于反射太阳光中的可见光波；

铝下面的nPE是纳孔聚乙烯（通常用作电池隔膜），该纳孔聚乙烯仅有16 μm厚度，大约是头发丝粗细的四分之一，由于纳米孔的存在，该聚乙烯膜具有优良的透水汽性能；

最下面有一些纳米颗粒，主要包含金属锌和金属铜，可用于太阳光光热转换保温。织物整体厚度只有约0.3 mm，比普通的T恤（约0.5 mm）还要薄。

    该微纳织物在散热模式下辐射率为0.87、太阳光漫反射率大约为0.91。保温模式下辐射率为0.16、太阳光吸收率达到0.8以上。也就是，保温时尽可能吸收太阳光，并将人体热辐射反射回皮肤，散热时尽可能散射太阳光，同时高效地将人体热辐射散到外界环境中。

图2：微纳织物的光谱特性

    在室外测试中，在白天太阳照射的保温模式下，相比1 mm厚的黑棉，微纳织物能让模拟皮肤升温约8.1 ℃；而在白天太阳照射的散热模式下，相比0.5 mm厚的白棉，微纳织物能让模拟皮肤降温约6 ℃；在晴朗夜晚的保温模式下，相比白棉，微纳织物可将模拟皮肤温度提高3 ℃。

图3：室外性能测试结果与室外环境变量

    通过两种模式的切换，模拟皮肤能保持在舒适的温度范围，室外极端温度环境下个体温度的管理，也将照进现实。

    基于微纳织物的局部温度调控性能，在织物内表面、与皮肤之间嵌入热电模块方式，即可实现全天候电产生。

    正午时，在保温模式下，微纳织物覆盖下的热电模块生电效率可达69 mW m^-2；夜间，在散热模式下，微纳织物覆盖下的热电模块生电效率达到约24 mW m^-2。这样的输出功率可为部分低功耗可穿戴电子器件供电，比如，一条耳机需要的输入功率大概为几mW。

图4：基于微纳织物的热电产生

出色的穿着性能

    考虑人体穿着的舒适性，织物还需要有良好的透水汽性能。故此，该团队在微纳织物制备过程中也充分考虑到这一点，并选择使用多孔的nPE和ePTFE作为主要材料。

    和普通衣服作对比，在透水汽性能测试中能够发现这种微纳织物的水汽透过率（WVTR）和棉基本相同。

图5：微纳织物的透水汽性能与超疏水特性

同时，由于对微纳织物表面做了超疏水处理，其水滴接触角大约为147°。因此，在保温模式工作下，该织物能够有效防止水滴的吸附，以及有效杜绝雨水润湿后蒸发导致热损耗，从而避免保温性能下降。

除用于制衣之外，这种织物还可用于建筑物的热管理、红外伪装等。这种微纳织物的制造工艺，可兼容现有的纺织工业，有望在未来进行大规模生产。