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(gè)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(yīng)用。

剛剛過去的夏天，相信很多人一定為了不被曬黑而費(fèi)盡心機(jī)，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(xué)陶光明團(tuán)隊(duì)與多個(gè)科研單位交叉學(xué)科創(chuàng)新，突破性地研發(fā)了一種具有形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)、可大批量制備的光學(xué)超材料織物(以下簡(jiǎn)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(gè)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(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上。

既能防曬又能降溫

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

目前，基于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的設(shè)計(jì)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(yīng)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(xué)武漢光電國(guó)家研究中心和材料科學(xué)與工程學(xué)院雙聘教授陶光明走進(jìn)直播間，以《交叉學(xué)科創(chuàng)新實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jí)的光學(xué)超材料織物，可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(tuán)隊(duì)基于輻射制冷原理和形態(tài)分級(jí)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)制造出一種超材料織物，根據(jù)織物空間結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)以及纖維內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)，在不同空間、不同尺度上進(jìn)行分級(jí)，形成了一種宏觀有序、微觀隨機(jī)的形態(tài)學(xué)分級(jí)體系。依據(jù)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jí)次響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)紫外、可見—近紅外及中紅外波段的寬光譜精準(zhǔn)調(diào)控，有效避免不同波段光譜串?dāng)_，優(yōu)化光譜響應(yīng)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(tái)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(duì)超材料織物進(jìn)行特定地排布和設(shè)計(jì)，如同打造了一個(gè)納米迷宮，陽光照射進(jìn)來，不斷折射、拐彎，最后反射出去，以實(shí)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(shè)備，而是利用宇宙背景的絕對(duì)低溫冷源，借助大氣透明窗口(8—13微米)，增強(qiáng)人體與外部寒冷空間的熱交換，最大化人體輻射散失，達(dá)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(gè)紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2020年12月7日，研究團(tuán)隊(duì)在廣州制作了一半棉、一半超材料織物的自制背心進(jìn)行實(shí)際人體皮膚測(cè)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(jìn)行的模擬人體排汗降溫測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)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(cè)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(tuán)隊(duì)基于批量纖維制備技術(shù)獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維，進(jìn)一步利用紡紗織造和層壓技術(shù)，制備得到了超材料織物，克服了長(zhǎng)期以來難以將實(shí)驗(yàn)室制造的織物應(yīng)用于熱管理實(shí)際場(chǎng)景的挑戰(zhàn)。

陶光明介紹，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將反射率提高到90%以上。同時(shí)，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(shì)。“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(yùn)動(dòng)員、清潔工、快遞員、外賣員和抗疫醫(yī)護(hù)工作者等戶外降溫需求迫切的目標(biāo)人群，也是普通人享受得起的科技新材料。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用任重道遠(yuǎn)

“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(shí)現(xiàn)以交叉學(xué)科創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)紡織業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。”陶光明直言，超材料織物技術(shù)革新的未來影響將十分深刻。

超材料織物實(shí)現(xiàn)了材料—光學(xué)—紡織技術(shù)跨領(lǐng)域多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，并將推動(dòng)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(jìn)一步研究。”他說，此外，投入實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，高速運(yùn)行的工業(yè)化流水線設(shè)備是否能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的精度等，都需要研發(fā)團(tuán)隊(duì)接下來進(jìn)行重點(diǎn)研究。

目前，陶光明所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將超材料織物初步應(yīng)用于防護(hù)口罩和防護(hù)服的制作。與傳統(tǒng)醫(yī)用防護(hù)材料相比，采用超材料織物的防護(hù)用品可以實(shí)現(xiàn)戶外2—5攝氏度的有效降溫，待進(jìn)一步研發(fā)后，有望在保持醫(yī)用產(chǎn)品防護(hù)作用的基礎(chǔ)上給醫(yī)護(hù)工作者更好的體驗(yàn)。

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

據(jù)悉，陶光明團(tuán)隊(duì)正在與國(guó)家體育總局合作，有望讓該技術(shù)服務(wù)冬奧會(huì)及各類戶外體育賽事，為科技體育作出貢獻(xiàn)。同時(shí)，該技術(shù)還受到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可，團(tuán)隊(duì)已與包括體育運(yùn)動(dòng)、戶外工裝、化纖紡織、時(shí)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(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外多家標(biāo)志性企業(yè)簽署協(xié)議，進(jìn)一步推動(dòng)新型技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，超材料織物原材料如何補(bǔ)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(tuán)隊(duì)研究的原材料之一。“我們正在做滌綸、氨綸、尼龍等材料的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)展非常順利，這些化纖材料在中國(guó)的年產(chǎn)量非常龐大，沒有后顧之憂。”他說。