清华大学张如范/南京大学朱嘉，今日Nature Sustainability！

近日，清华大学张如范副教授和南京大学朱嘉教授在Nature Sustainability上以“An all-weather radiative human body cooling textile”为题设计了一种由聚甲醛（POM）构成的纳米织物，其不仅在大气环境（8-13μm）中实现了选择性发射，而且还能够显示了剩余的中红外波段的透射和太阳光的反射（0.3-2.5μm）。

因此，由POM纺织品构成的衣服在室外（晴天和多云条件下）和室内（比典型纺织品低0.5-8.8°C）都能实现高效的辐射人体冷却。此外，纺织品显示出良好的耐磨性，在用作防护服时优于同类商业化产品。

因此，POM材料既能提供室内冷却，也能提供室外人体冷却，并为下一代智能纺织品的合理设计以及支持可持续性的其他应用引入了新的可能性。

研究背景

如今，生活中广泛使用的主动冷却系统，如空调消耗了大量能源，占全球电力消耗的~15%。其中，被动辐射冷却作为一种新兴的冷却技术，它通过辐射热传递到温度较低的周围环境，甚至通过大气环境（3-8μm）进入寒冷的外层空间（近3 K），辐射冷却技术在个人热管理方面显示出巨大的潜力，辐射传热是人体的主要散热途径，占人体总传热的40-60%。

近年来，已经开发了各种辐射冷却纺织材料，用于不同环境中的人体冷却，包括室内和室外。根据其冷却机理，辐射冷却纺织品可分为两类，即主要用于室内环境的透射型纺织品和通常在室外使用的发射型纺织品。

前一类纺织品，如纳米多孔聚乙烯（PE）基纺织品，在中红外（MIR）波段对人体辐射是透明的，人体可以通过这种纺织品直接散热到周围环境中来冷却。

相比之下，发射型纺织品通过大气（8-13μm）将人体热量释放到寒冷的外层空间，使用的材料通常是聚合物或聚合物介电复合材料，包含强烈的分子振动和分层设计的纳米结构。

如果辐射冷却纺织品如果能够同时在室外和室内环境中有效冷却人体，那将是理想的选择，具有高太阳反射率的透射型纺织品是实现这一目标的最佳理论选择，但由于厚度限制引起了大量太阳能热负荷，现有的透射型纺织品在暴露于室外时表现出较差的冷却性能。

成果简介

在此，清华大学张如范副教授和南京大学朱嘉教授等人展示了一种聚甲醛（POM）纳米纺织品设计，在发射和传输模式之间采用了自适应散热机制，使人体冷却不受环境的影响（室内和室外）。

至关重要的是，POM纺织显示8-13μm波段的选择性发射率为75.7%（高选择性为1.67，即8-13μm的平均发射率与4-25μm的平均发射率的比值），在4-25μm波段的透光率为48.5%，在0.3-2.5μm波段的太阳反射率为94.6%。

因此，与典型的透射型、排放型和商用棉纺织品相比，POM纺织品在阳光充足的室外（分别为7.8°C、2.6 °C和8.8 °C）、多云室外（分别为2.9 °C、0.7 °C和3.6 °C）和室内环境（分别为-0.2°C、1.2°C和0.5 °C冷却）表现出显著的辐射人体冷却性能。

此外，POM纺织品还具有良好的透气性，高拉伸强度和在高湿度条件下的良好性能。现场测试表明，本文的POM纺织品健康危害防护服在阳光明媚的室外（5.4°C冷却）、多云的室外（1.3°C冷却）和室内环境（~1.0°C冷却）中表现出明显优于已商业化的冷却性能。

相关文章以“An all-weather radiative human body cooling textile”发表在Nature Sustainability上

内容详解

自适应发射-透射模型

本文设计的材料在不同环境中高效人体冷却的机制如图1a所示，自适应纺织品在大气窗口内表现出发射型特性（8-13 μm），在窗外表现出透射型特性，充分利用大气窗，使其具有最佳的发射冷却效果，同时保留大多数人体辐射的透射冷却能力（~61%），其半发光和透明特性克服了透射型纺织品的厚度限制，有望通过纳米结构调控实现类似于发射型纺织品的高太阳反射率。

通过求解稳态传热模型，对不同类型纺织品（发射型、透射型和自适应型）在室外和室内环境下的冷却性能进行了数值比较。结果表明：在室外环境中，在强阳光下（800 W m^-2），与透射型（低25.7°C）和发射型（低4.2°C）的织物相比，自适应型纺织品的表皮表面温度明显更低（图1c，d）。

这得益于本文的纺织品设计具有更高的太阳反射率，与发射型纺织品相比，非窗口MIR透射具有额外的冷却效果。对于室内环境，自适应型纺织品的表皮温度（0.8 °C）略高于透射型纺织品，但明显低于发射型纺织品（2.5 °C）（图1c，e），这表明目前的纺织品具有几乎与透射型纺织品一样好的冷却性能，并且远优于发射型纺织品，这得益于其高MIR透射率（61%）。

图1. 采用自适应辐射冷却模式的纺织品的设计与模型计算

材料设计和表征

有机材料在MIR区（对应于人体主辐射波段）的发射和传输本质上取决于它们的分子键和官能团，它们在不同的波段范围内具有不同的振动吸收和发射特性，强分子振动的存在和不存在分别是在相应波段实现高发射和高透射的必要先决条件。

本文选择的POM（一种广泛使用的聚合物，其主链仅由C-O-C键组成）结合了发射和传输两种工作模式，FTIR-ATR曲线的特征峰表明，POM的振动吸收和发射波长主要分布在大气窗口内，表明POM是一种有前途的原料，用于开发不依赖工作环境的辐射冷却纺织品。

除了选择性的MIR发射和透射外，白天室外环境的辐射冷却材料也需要强的太阳反射率，但商业化POM产品显示出低太阳反射率（~49.0%）。

基于上述分析，作者通过静电纺丝合成了厚度为~260 μm的多级POM纳米纤维纺织品（图2c），POM纳米纤维的直径尺寸分布接近0.3-1.0μm的主太阳波段（图2e）并远离MIR波段，这有利于高太阳反射率和低MIR反射率。

这些结果表明，合成的POM纺织品具有上述自适应辐射冷却模型的特性，有望提供环境自适应的人体冷却。未来，有望通过低成本的溶液方法制备具有相似光学性能的POM薄膜，为扩大规模提供了另一种方便的方法。

图2. POM纺织品的设计、制备及光谱分析

热测量

作者采用定制测量装置研究了合成POM纺织品的全天候辐射人体散热性能（图3a，b），对裸露皮肤和三种典型纺织品（商业棉、发射型聚偏二氟乙烯（PVDF）和透射型纳米多孔PE（纳米PE）的皮肤进行了比较。

如图3c所示，所选的PVDF和纳米PE纺织品在整个MIR区域分别实现了高发射率（90.0%）和透光率（96.9%），而前者也表现出接近POM纺织品的高太阳反射率（95.1%），分别与发射型和透射型辐射冷却模型一致。

同时，图3d-g清楚地表明，在室外环境中POM纺织品覆盖的皮肤模拟器的表面温度是五个样品中最低的。在强烈阳光直射下的阳光明媚的情况下（>800 W m^-2），从上午10点到下午1点，POM纺织品覆盖的皮肤模拟器的温度分别比裸皮肤和商业棉、纳米PE和PVDF覆盖的皮肤温度低15.7 °C、8.8 °C、7.8 °C和2.6 °C（图3d，e）。

这些结果表明，POM纺织品对人体表现出最佳的户外冷却性能。POM纺织品在室内环境中也表现出良好的冷却性能，这使得主动冷却装置的空气温度设定值更高，以保持人体的热舒适性，每增加7°C，可以节省~1%的冷却能源成本。

图3. 比较POM纺织品的人体冷却效果

聚甲醛纺织品的耐磨性

此外，合成的POM纺织品除了具有优越的散热冷却性能外，还表现出耐磨性所需的许多指标，即良好的透气性、机械强度、防水性和防潮能力。首先，将POM纺织品夹在水和空气之间时，连续的气泡渗透没有任何纺织品破损，清楚地表明透气性好。此外，还测量了水蒸气透过率（WVTR），归因于无数纳米孔和微孔通道的存在，水蒸气渗透类似于商业棉。

POM纺织品还表现出13.3 MPa的高拉伸强度，与商业棉（14.7 MPa）相当，高机械强度归因于POM的高结晶度，具有很高的固有强度（70MPa）。在这些不同的纺织品中，POM纺织品的伸长率最高（~300%），表明其高柔韧性，可舒适地与皮肤互动。还比较了这些样品的防潮能力，这对于在潮湿环境中保持纺织品干燥和清洁非常重要。

图4. POM纺织品的可穿戴性试验

综上，作者通过设计一种用于环境自适应辐射人体冷却的混合辐射冷却模型，制造了在大气窗口（75~7 μm）中显示出8.13%的选择性发射率，48.5%（4~25 μm）的高人体辐射透射率和94.6%（0.3~2.5 μm）的高太阳反射率的POM纺织品。

与现有的典型辐射冷却纺织品和商业化棉纺织品相比，POM纺织品在室外和室内环境（0.5-8.8°C冷却）下均表现出优异的人体冷却性能。同时，POM纺织品还具有良好的耐磨性，如高透气性，良好的拉伸强度和高防潮能力。这项工作为室外和室内人体冷却的不兼容设计提供了解决方案，有助于下一代可持续的个人热管理。

Wu, X., Li, J., Jiang, Q. et al. An all-weather radiative human body cooling textile. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01200-x

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