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防晒又降温,华中科技大学发明的“防晒服”登上《科学》杂志

2023-05-31 23:48:03 36

摘要:一件看似寻常的“防晒服”居然登上了世界最顶级的科学杂志。记者7月9日从华中科技大学获悉,该校陶光明教授和浙江大学马耀光团队合作研发的“超构织物”相关成果在美国《科学》杂志最新一期发表。“超构织物”相关成果在美国《科学》杂志最新一期发表。受访...

一件看似寻常的“防晒服”居然登上了世界最顶级的科学杂志。记者7月9日从华中科技大学获悉,该校陶光明教授和浙江大学马耀光团队合作研发的“超构织物”相关成果在美国《科学》杂志最新一期发表。

“超构织物”相关成果在美国《科学》杂志最新一期发表。受访者供图

穿在身上像背着一面镜子,又外挂一台空调

称该织物为“防晒服”是种通俗的叫法,其更准确的科学名称为“零能耗光学超材料制冷织物”(简称“超构织物”)。用这种织物做成的防晒服,其功能又奇又飒,不仅可以实现防晒,而且还可以无源降温。

陶光明教授(左)研究团队和马耀光教授(右)研究团队。受访者供图

记者在陶光明教授的办公室里亲眼见到了这种“超构织物”,它与普通的织物没有什么区别,具有颜色和花纹。陶教授笑言:“你说它是布,它就是布,因为它就是用普通的织机编织而成;你说它不是布,它也不是布,它可以是织物或者涂料或者薄膜等等各种材料。”

用于日间辐射冷却的超材料织物示意图。受访者供图

当记者看到织物边缘露出的白色细丝时,陶教授说,对,这就是超构材料的关键与核心所在。

这一根根的细丝里包含着由纳米材料排布形成的随机光学结构,这样的结构既能反射阳光,又能在人体热辐射波段保持近乎完美的发射率。陶光明教授用了一个通俗的比喻:穿在身上就像背着一面镜子,又外挂一台空调。

镜子,不是说衣服像镜面一样直接反射阳光,而是通过纳米材料的特定排布,如同一个纳米迷宫,阳光照射进来,不断折射、拐弯,最后反射出去。

空调,不是说衣服里有一个制冷设备,而是利用宇宙背景的绝对低温冷源,保持与它的热交换通道的畅通。——这么说有些玄,陶光明教授举了一个生活中常见的例子,夏夜在室外乘凉,看着银河,数着星星,为什么感觉最凉快?因为万里无云,大气的透明窗口(8~13微米)使得人体的热辐射和宇宙的绝对低温背景之间进行的热量交换,就像在一个天然大空调里。

用科学术语说,“超构织物”能够通过分级形态设计,精准调谐对太阳光波段和中红外波段的光学响应。既保持8~13微米波段的高发射率,最大化热辐射;又对0.3~2.5微米的太阳辐射实现高效阻挡,实现在无能源输入条件下,对覆盖目标物的全天持续进行降温,且绿色环保、柔软亲肤、舒适透气。再用科学思路说,“超构织物”是用物理光学和材料科学的协同创新来实现被动式降温,替代传统的主动降温方式,意味着它是环境友好的、可持续发展的、顺应国家“碳达峰、碳中和”的绿色理念。

从“悖论”中找突破口,从立项到完成仅3年多

根据日常经验,防晒服通常是在织物表面涂覆一层致密的具有阻挡紫外线功能的涂料来实现良好的防晒效果,致密的防晒涂层会使人体产生闷热感,影响穿着舒适性。“防晒”与“制冷”,对于防晒服而言是两个相悖的性能,如何兼得两种性能是科学的难题。

陶光明和马耀光团队的发明从生活中不可思议的地方入手,将防晒和制冷两个看似不可调和的矛盾集中于一体,希望通过光的引导和操纵完成对微环境的热调控,从而实现高效热管理,赋予防晒衣全新的功能。

超材料织物与棉对人体体表降温对比测试。(来源:Science)

超构材料的研制从立项到完成仅3年多,即使在疫情防控期间,整个团队也没有停止科研。为验证一种全新的分级结构思路,他们对数以百计的材料进行测量表征,并通过大量数据仿真对选材进行验证。为保证产出性能,他们对纺丝、纺纱、织造整个工艺流程进行探索和调控。为了测试性能,团队成员带着超材料织物,追着阳光,前往武汉、杭州、温州、苏州、无锡、天津、青岛、潍坊、广州、西双版纳等地进行实验和测试。

在跨多学科的交叉协同创新下,团队最终实现了从“一颗聚合物颗粒”到“一卷超材料面料”的长链条征程。

这种“防晒衣”到底有多防晒?在论文里,团队公布了超构织物的一项效能测试,测试组特地做了一件一半是普通纯棉面料一半是超构面料的T恤,让一位测试者穿着它在2020年12月份的云南西双版纳正午的大太阳底下暴晒,将近30分钟后的温度测试表明,超构面料遮挡的人体部分相较于普通纯棉面料可低3摄氏度。

为什么测试30分钟,而不是1个小时?陶光明说:“因为测试者受不了烈日炙烤而主动要求终止实验,否则,越往后超构面料的制冷优势会越大。“

他们还进行了近30款知名品牌的防晒衣和凉感服的对比测试,同时对降温口罩的初步样品也进行对比测试,相比之下超材料织物具有优异的性能,可以在多种场景中广泛应用。

超材料织物与商用织物降温性能对比测试:(a)测试装置示意图和样品照片(b)超材料织物制冷性能对比测试曲线图(广州,2020年11月28日)。受访者供图

普通纺纱设备即可完成量产,成本仅增加1%

难得的是,这样神奇的材料,仅通过普通的纺纱织造设备就可以完成。陶光明介绍,我们的发明并没有提高制备难度,可以与整个成熟的纺织行业相兼容。不仅如此,研究团队将新材料引入纤维内部,纤维成本仅增加10%左右,这意味着一件超材料织物成衣相较于普通成衣的成本增加仅在1%左右。同时,超材料织物的主要材料是环境友好且生物可降解的,这意味着即使在年产百万吨的情况下,也不会对环境造成负担。

“超构材料从一开始就不仅仅是一项科学发明,也是一项产业发明,利用现有的产业链优势,它可以以纤维或织物的形态广泛应用于日常生活的相关产品中,与任意物体的表面无缝结合。从我们日常看到的有防晒需求的防晒服、帐篷、汽车车罩、雨阳伞,到有特殊防护要求的运动员、警察、清洁工、快递员、医护工作者的服饰,保护任何暴露在天空下、受到阳光伤害的人和物体。”

目前,科研团队正在实验基于超构材料的医用防护服和口罩,因为应对新冠肺炎疫情时,闷热的口罩与防护服是全世界在一线抗击疫情的医护工作者的共同之痛。

“好的织物材料应该从纺织业出发,服务各行各业,我们一开始就没有将它当作一项科学研究,发论文、写报告、刷数据,我们一直将它当作服务于‘人’的发明。”陶光明说。

(长江日报记者陈晓彤 周劼)

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