基於(yu) 金屬氧化物、半導體(ti) 、天然材料和聚合物的輻射冷卻技術已被大量提出，以應對建築冷卻中對化石燃料的大量需求。

然而，這些技術在多變天氣條件下的單一效果無法實現雙向溫度調節的加熱和冷卻功能。例如，夜間單一的冷卻效果甚至可能增加冬季加熱的負擔。因此，開發一種溫度智能自適應熱管理技術以應對波動環境條件是至關(guan) 重要的。此外，這種智能自適應熱管理技術應具備在環境溫度變化時在冷卻和加熱模式之間切換的能力。

近期，清華大學曲良體(ti) 教授團隊開發了一種雙模態光子紡織品，它能夠在陽光下自主實現低溫太陽能加熱和高溫輻射冷卻。該紡織品是一種創新的自適應智能麵料（SF），其中加載了還原氧化石墨烯包裹的熱致變色微膠囊（G-TM）和硫酸鋇（BaSO₄）微納顆粒。

G-TM在低溫下呈黑色，能高效吸收太陽輻射以實現加熱。相反，在高溫下，它轉變為(wei) 白色，並反射大部分太陽輻射，實現高光學調製（圖1）。

圖1. 用於(yu) 熱管理的溫度自適應雙模光子織物的示意圖

BaSO₄有助於(yu) 在大氣傳(chuan) 輸窗口（即8至13微米）中實現高發射率以進行輻射冷卻。該織物能夠展現大約80%的可見光光學調製。實驗證明，由這些紡織品製成的服裝和帳篷（3.5米×2.9米×1.3米）能夠實現溫度自適應的全天候熱管理，將熱舒適範圍擴大了8.5°C。

這項研究展示了該產(chan) 品在織物相關(guan) 熱管理應用中的巨大潛力，並揭示了探索溫度自適應解決(jue) 方案對於(yu) 可持續和健康生活方式的重要性。該工作以題為(wei) “Temperature-adaptive dual-modal photonic textiles for thermal management”的論文發表在最新一期《Science Advances》上。該論文被Nature以“研究亮點”進行報道。

SF的製備過程簡單，主要通過在織物表麵噴塗功能性材料來實現。如圖2A所示，作者首先在TM表麵改性了2,2′-偶氮(2-甲基丙酰胺亞(ya) 胺)二鹽酸（AAPH）。由於(yu) AAPH帶正電荷，它可以被帶負電荷的氧化石墨烯（GO）很好地包裹。隨後，作者按比例混合G-TM、BaSO₄和聚氨酯分散體(ti) 來製備前驅體(ti) 分散液。然後將分散液噴塗到原始織物上並讓其自然晾幹。

最後，通過紫外線光還原GO，獲得了具有紫外線（UV）抗性的功能性材料。光學圖像和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，G-TM和BaSO₄顆粒在纖維上均勻分散（圖2B-D），放大的SEM圖像顯示GO在TM上均勻包裹（圖2E）。原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示，加載功能性材料後表麵的粗糙度大約為(wei) 600納米，表明功能性材料在纖維表麵平坦加載。這些結果說明功能性織物成功製備。功能性材料的優(you) 越熱管理性能與(yu) 類似塗料的適用性相得益彰，這對於(yu) 廣泛應用至關(guan) 重要。作者可以將功能性材料噴塗或塗刷到各種基底上，如非織造布、紙張、鋼材和木材（圖2F-I）。

圖2. SF的製備和表征

TM的顏色變化源於(yu) 分子中共軛區域的形成和破壞[3,3-雙-(4-二甲基氨基苯基)-6-二甲基氨基酞菁（CVL）]（圖3A）。通過1-十四醇和雙酚A（BPA）調整CVL環境中的酸度，可以實現共軛和顯著的光吸收特性。

如圖3B所示，CVL@BPA在可見光譜中的吸光度是CVL的11.3倍，表明TM具有高顏色調製能力。然而，這種成熟的微膠囊係統在戶外環境中容易受到紫外線的影響。因此，作者用還原的GO（rGO）進行了包裹。GO片的吸收峰位於(yu) 234nm（圖3B），但在還原後，由於(yu) 石墨烯C-C環的π-π*躍遷，rGO片的波長從(cong) 234nm紅移到了更高的270nm。rGO穩定的紫外線吸收能力使得被rGO片包裹的TM具有優(you) 異的紫外線抗性。此外，通過調整TM組成中CVL、BPA和1-十四醇的不同比例，可以任意設定臨(lin) 界熱變色溫度（Tc）（例如，5°C、15°C、25°C和31°C；圖3C）。

作者將具有x°C的Tc的熱變色材料命名為(wei) SF-x，例如SF-25。SF-25在15°C時為(wei) 黑色，隨著逐漸升溫而變色，在30°C時變為(wei) 白色。如圖3D所示，其白色狀態（CVL）的散射效率Qscat至少是黑色狀態（CVL@BPA）的兩(liang) 倍。因為(wei) 散射光大部分被CVL@BPA的共軛鍵吸收（圖3E），黑色狀態的吸收效率Qabs在紫外-近紅外波段顯著大於(yu) 1，這基本上覆蓋了太陽光最強的區域。

然而，G-TM單獨仍然在小於(yu) 600nm的範圍內(nei) 遭受低Qscat的限製（圖3D），這限製了其總太陽反射能力。同時，G-TM在長波紅外（LWIR）的發射率也不足，進一步限製了其輻射冷卻功率。因此，作者引入BaSO₄顆粒來增強SF的輻射冷卻性能。基於(yu) 太陽光譜範圍內(nei) 的Qscat分析，優(you) 化了BaSO₄顆粒的直徑（圖3F）。

結果顯示，最優(you) 直徑位於(yu) 500nm附近，因為(wei) 在這種情況下，散射強度集中在300至700nm，這與(yu) 太陽峰值相匹配，並補償(chang) 了G-TM的不足。另一方麵，由於(yu) BaSO₄固有的紅外振動峰位分布，直徑為(wei) 500 nm的顆粒在LWIR範圍內(nei) 仍然具有高Qabs（高達0.7；圖3G），從(cong) 而明顯有助於(yu) 提高SF的輻射冷卻性能。因此，作者使用G-TM和直徑為(wei) 500nm的BaSO₄顆粒的混合物來製備SF。

圖3. SF的光學性質

作者在中國北京（北緯40.0°，東(dong) 經116.33°，2023年11月1日）展示了SF在白天12小時內(nei) 的輻射冷卻性能。作者測試了尺寸為(wei) 100mm×100mm的SF，並將其放置在兩(liang) 個(ge) 熱箱中並行，以直接監測輻射冷卻溫度以及通過反饋控製加熱裝置的幫助下的冷卻功率（圖4A）。該裝置包括一個(ge) 被一層鋁箔覆蓋的丙烯酸外殼，用於(yu) 反射周圍建築的輻射，一個(ge) 泡沫絕緣的樣品台，加熱器，以及一層紅外透明防風聚乙烯薄膜（圖4B）。

首先比較了SF-5和純BaSO₄塗層，從(cong) 圖4C可以看出，SF-5和純BaSO₄具有相似的冷卻性能。在陽光充足的條件下的強烈直射陽光下，SF-5和純BaSO₄塗層的溫度分別比環境溫度低8.2°C和10°C。這主要是由於(yu) 在環境溫度大於(yu) SF-5的Tc時，在可見光範圍內(nei) 的高反射率和在大氣透射窗口中的高發射率。

此外，作者還測試了設計良好的SF的輻射冷卻功率。輻射冷卻裝置在陽光正午時隨著光強度的增加提高了環境和SF的溫度，並顯示了良好的溫度跟蹤性能（圖4D）。通過計算，SF的相應冷卻功率被證明在50到80W m^-2之間（圖4E）。這一結果表明，SF在高溫下具有良好的輻射冷卻能力。

圖4. SF的被動式日間輻射製冷和太陽能供暖性能

SF最大的優(you) 勢之一在於(yu) 其通過噴塗便於(yu) 實現大麵積製備（圖5A），這為(wei) SF在人體(ti) 和環境熱管理領域的廣泛應用鋪平了道路。為(wei) 了評估其在實際場景中的自適應熱管理能力，作者使用SF-25作為(wei) 基材，通過裁剪和縫紉工藝準備了具有熱管理功能的熱變色智能服裝（TMSG）和熱變色智能帳篷（TMST）。該服裝在低溫和高溫下分別顯示黑色和白色狀態，通過太陽能加熱和輻射冷卻實現良好的人體(ti) 熱管理。

作者進一步在服裝內(nei) 部放置溫度傳(chuan) 感器來測量TMSG的熱管理性能，並由數據記錄器收集的數據通過傳(chuan) 輸塔傳(chuan) 輸到智能手機，以實現實時監測和診斷（圖5B）。當環境溫度為(wei) 15°C時，初始服裝在暴露於(yu) 陽光之前顯示的溫度接近環境溫度。然而，當服裝暴露在陽光下時，服裝表麵能夠迅速升溫至20°C（圖5C）。紅外熱像圖顯示TMSG的溫度高於(yu) 環境溫度。在持續暴露於(yu) 陽光下時，即使環境溫度高於(yu) 33°C，TMSG的內(nei) 部溫度也能控製在約26°C，這可能是由於(yu) TMSG表麵的太陽能加熱和輻射冷卻之間的平衡。TMSG展示出強大的能力，能夠創造有效的熱舒適區，展現了其卓越的人體(ti) 熱管理能力。

圖5. SF的其他特性和潛在應用

該研究開發了一種雙模光子紡織品，能夠在大幅度的環境溫度波動下實現高溫輻射冷卻和低溫太陽能加熱，以達到良好的熱管理效果。在高溫環境下，SF具有高太陽反射率（0.3至2.5微米）和在大氣窗口（8至13微米）的選擇性發射率為(wei) 94%，以實現輻射冷卻。在低溫環境下，SF展現出高太陽吸收率（0.3至2.5微米）以實現太陽能加熱。

此外，基於(yu) SF製備的TMSG和TMST為(wei) 人體(ti) 和環境提供了19°C至28°C的熱舒適環境範圍，這表明由紡織品製成的服裝和帳篷能夠實現溫度自適應的全天候熱管理。SF的製備簡便、可擴展性以及卓越的熱管理優(you) 勢，展示了其在人體(ti) 和居住環境熱管理相關(guan) 應用中的巨大潛力。

#原文章鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2062

#來源：PCI可名文化 高分子科學前沿
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