陈根：超材料织物，走向理想衣物热管理

文/陈根

人体向环境散热过程中，衣物起着至关重要的作用。如果衣物能实现良好的热管理，不仅可以大大提高人体的舒适度，更对节约建筑物能耗有着很大的潜在影响。

研究表明，人体皮肤的红外发射率高达0.98，几乎等同于黑体，在7-14微米的波长范围内有强烈的红外辐射，并且在9.5微米处达到峰值。更为值得注意的是，在室内环境下，人体通过热辐射的散热占总散热的50%以上。然而，传统衣物并未对人体热辐射有所调控，并未达到理想的热管理。

近日，华中科技大学陶光明团队与浙江大学马耀光团队基于辐射制冷原理和形态分级设计理念，通过光学、织造技术的跨领域多学科协同创新，联合研发了一种分级结构的超材料织物，即一种在阳光直射的室外环境下，可无源制冷的光学超材料织物（Metafabric）。

首先，基于辐射制冷的原理和形态分级的设计理念，团队提出了一种形态分级结构的超材料织物，根据织物空间结构、纤维结构、以及纤维内部纳米结构，在不同空间、不同尺度上进行分级，形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。

根据该结构设计，将从太阳辐射波段到中红外波段（0.3-25μm）的光谱分为三段，交由超材料织物中的不同级次响应，最终实现紫外、可见－近红外及中红外波段的宽光谱精准调控，有效避免不同波段光谱的串扰，优化光谱响应效率。

随后，研究团队将光学超材料技术与批量纤维制备技术相结合，选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸为纤维原料，获得均匀连续地超材料纤维。

在此基础上，进一步利用纺纱织造和层压技术，得到的超材料织物在太阳光波段（0.3-2.5μm）具有92.4%反射率、在中红外波段（8-13μm）具有94.5%发射率，并且具有低成本、绿色环保、可产业化等优势。经严格测试，超材料织物样品在无源输入条件下，可实现全天低于环境温度 2-10℃的制冷效果。

总的来说，此次研究的具有形态分级结构、可大批量制备的光学超材料织物（简称超材料织物），相较于白色棉织物，该织物对人体体表降温近5℃，具有优异的可穿戴性，并与整个纺织行业相兼容，适合大规模推广制备和产业化应用，其研究成果已以《无源制冷光学超织物用于可扩展的日间被动辐射制冷》发表在 Science上。