材料學(xué)新突破，正穿保暖反穿降溫 納米控溫布料問(wèn)世全程零能耗

近日，著名華裔科學(xué)家崔屹領(lǐng)銜的一支斯坦福大學(xué)材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了一項(xiàng)極富想象力的研究成果——一款擁有神奇功效的全新“布料”：貼身穿著時(shí)，它不需要任何外界能量輸入，就可以調(diào)節(jié)人體向外輻射熱量的多少；正面穿著時(shí)，可以幫助人體保溫，而如果“里面朝外”翻過(guò)來(lái)穿，竟然會(huì)幫助人體散熱！

該團(tuán)隊(duì)稱，這項(xiàng)發(fā)明有望將體感溫度的舒適區(qū)間擴(kuò)大 14.7攝氏度之多，從而讓人在很大的溫度范圍內(nèi)都保持舒適，更會(huì)顯著降低大量的建筑物制冷/制熱能耗。

衣服這種古老的發(fā)明，對(duì)于人類(lèi)的重要作用毋庸置疑。不過(guò)，有趣的是，從獸皮、樹(shù)葉開(kāi)始，到絲綢、棉布、化學(xué)纖維，盡管衣服的材料不斷地更新，但它們的基本作用也從來(lái)都沒(méi)有變過(guò)，那就是：減少散熱，增加體表溫度。

進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)，人類(lèi)發(fā)明了空調(diào)、暖氣等一系列設(shè)備，以保證室內(nèi)的人們?cè)诖┲m量衣物的情況下，就可以維持合適的體感溫度。這個(gè)我們已經(jīng)習(xí)以為常的任務(wù)，事實(shí)上消耗著大量的能源。以美國(guó)為例，建筑物為了維持合適溫度所消耗的能源，高達(dá)全社會(huì)總能耗的 12%。

我們可能也從未覺(jué)得這么做有什么不妥。直到斯坦福大學(xué)的崔屹團(tuán)隊(duì)發(fā)明出了一種神奇的材料：“人體輻射式加熱/制冷雙?？椢铩?。說(shuō)是“織物”，但它并不是用什么纖維織起來(lái)的，而是由納米材料制成的。

這種貼身穿著的神奇“布料”不依賴制冷劑，也不用需要暖寶寶里鐵粉的氧化反應(yīng)，只需厚度為幾十微米的薄薄一層，就可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式的輻射換熱：正面穿，可以最大限度減少人體對(duì)外的熱輻射，實(shí)現(xiàn)體表保溫；反面穿，最大限度增加人體對(duì)外輻射，比常規(guī)衣物明顯涼快得多。

這塊布料為什么會(huì)這么神奇呢？這要從人體維持體溫的原理說(shuō)起。作為一種恒溫動(dòng)物，人是通過(guò)體內(nèi)產(chǎn)熱和體表散熱的動(dòng)態(tài)平衡來(lái)維持合理的體溫的。所謂的體內(nèi)產(chǎn)熱，就是通過(guò)類(lèi)似于燃燒燃料的方法，消耗葡萄糖等能量物質(zhì)產(chǎn)生熱量；而散熱則包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱三種形式。

其中，人體靜止時(shí)，有 40%～60% 的散熱量是通過(guò)向外輻射紅外線實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)周?chē)沫h(huán)境溫度低于人體溫度時(shí)，人體便可以把熱量以電磁波（主要是紅外線）的形式向外輻射。

因此，在維持體溫的動(dòng)態(tài)平衡中，如果輻射的熱量大于體內(nèi)產(chǎn)熱，人就會(huì)降溫；而如果輻射的熱量小于體內(nèi)的產(chǎn)熱，則會(huì)升溫。

而輻射量的高低，主要取決于“輻射率”。輻射率是一個(gè)物體表面的固有屬性，輻射率高，輻射出的能量就多；而輻射率低，通過(guò)熱輻射帶走的能量就少。因此，如果可以控制輻射率，讓它在需要放熱的時(shí)候變高，需要降溫的時(shí)候變低，就可以改變?nèi)梭w對(duì)外輻射熱量的多少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衣物幫助人體保溫還是散熱的調(diào)控。崔屹團(tuán)隊(duì)的神奇發(fā)明，利用的就是輻射率決定輻射量、而輻射量決定體表是升溫還是降溫的原理。

崔屹團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“布料”——人體輻射式加熱/制冷雙?？椢铮ê?jiǎn)稱雙?？椢铮?，總共由三種材料構(gòu)成：在上下兩層，為對(duì)紅外波段的熱輻射幾乎“透明”的納米聚乙烯基底。兩層納米聚乙烯中間，夾著一個(gè)雙層輻射體，由輻射率超高的碳薄層，和輻射率超低的銅薄層組成。

由于貼身穿著，不管任何織物，貼著皮膚的內(nèi)層主要的傳熱方式是熱傳導(dǎo)。因此，內(nèi)層材料的輻射率對(duì)織物整體的輻射率幾乎沒(méi)有影響——織物的輻射率主要取決于織物的外層材料。大部分的常規(guī)衣服面料的輻射率都在 0.8 左右，這個(gè)數(shù)字意味著它們只能以固定的散熱量來(lái)為人體提供保溫：

在雙?？椢锏碾p層輻射體中，碳層的輻射率高達(dá) 0.9（輻射率的理論上限為 1），意味當(dāng)它朝外時(shí)，輻射散失的熱量會(huì)大于體內(nèi)的產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致體表溫度的下降：而銅層的輻射率則只有 0.3。因此，當(dāng)這一層朝外時(shí)，輻射散失的熱量會(huì)小于體內(nèi)的產(chǎn)熱，從而起到比常規(guī)織物好得多的保溫效果。

為了驗(yàn)證雙?？椢锏男Ч芯咳藛T做了如下的實(shí)驗(yàn)：在 22.0攝氏度的環(huán)境溫度下，一個(gè)用來(lái)模擬人體體表的電加熱器以 51 W/m2 的功率產(chǎn)生著熱量。當(dāng)加熱器“穿”上一件普通針織衫的時(shí)候，其表面溫度（模擬衣服下面的人體體表溫度）為 36.9攝氏度。換上雙?？椢锖?，碳層朝外時(shí)，其溫度下降到了 33.8攝氏度，比普通織物低了 3.1攝氏度；而當(dāng)銅層朝外時(shí)，溫度升高到了 40.3攝氏度，比普通織物高出 3.4攝氏度！不同穿著方式造成的溫差高達(dá) 6.5攝氏度！事實(shí)上，在去年，崔屹團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用納米多孔聚乙烯制作可以降溫的織物。但用同一塊布，正反面穿著卻有著不同的效果，這還是第一次。他們的成果已經(jīng)于近日發(fā)表在了《SCIENCE ADVANCES》雜志上。對(duì)于崔屹團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這不過(guò)是他們發(fā)表的又一篇頂級(jí)期刊論文，但對(duì)于紡織業(yè)、服裝業(yè)來(lái)說(shuō)，卻可能是具有特殊意義的一次技術(shù)突破。

首先，這是一件不需要消耗額外能源、不需要精密自動(dòng)化控制，卻可以實(shí)現(xiàn)“全天候”保持溫度舒適任務(wù)的衣服。不論是早上的陰冷還是溫暖的午后，它都可以提供全時(shí)段、全溫段的服務(wù)，而不用總是“及時(shí)增減衣物”，或糾結(jié)于“二四八月亂穿衣”。當(dāng)然啦，崔屹團(tuán)隊(duì)表示，如果配合上帶有電源的可穿戴設(shè)備，他們可以讓衣服變得更加智能、可控。

其次，這還是一種廉價(jià)的技術(shù)。其中用量最大的材料聚乙烯，是非常常見(jiàn)的日常材料，常用于制作保鮮膜、食品包裝等日用品。

也許在未來(lái)，我們就不用消耗那么多能源去維持所有的室內(nèi)溫度了。人人只需要穿著薄薄的一件衣服，就可以完美維持體表的溫度和濕度。這種有些科幻片都不一定敢想象的場(chǎng)景，正在被科學(xué)家們變成現(xiàn)實(shí)。

但在那一步前，崔屹他們的神奇布料要克服的實(shí)際應(yīng)用障礙還有很多。比如，他們尚不能對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。還有，作為一件衣服，雙?？椢镄枰C明自己足夠耐磨、耐洗。最后，大家剁手買(mǎi)衣服的時(shí)候，溫度的需要經(jīng)常讓位給風(fēng)度。戶外衣物的面料科技含量再高，銷(xiāo)量最好的面料還是純棉、毛料等傳統(tǒng)質(zhì)地。

不過(guò)，時(shí)尚的潮流總是說(shuō)變就變，或許過(guò)不了多長(zhǎng)時(shí)間，微米級(jí)別厚度、可以同時(shí)御寒和散熱、甚至可以精確調(diào)控溫度的衣服，實(shí)現(xiàn)科技與時(shí)尚的完美統(tǒng)一。（摘自美《深科技》）

（編輯/華生）