2021年5月22日是中國(guó)馬拉松史上最黑暗的一天，在這場(chǎng)甘肅省馬拉松百公里越野賽中，選手們?cè)谫惓讨性庥隽藰O端天氣，強(qiáng)風(fēng)凍雨和冰雹奪走了21條鮮活的生命。這起事故中，主辦方和選手們對(duì)極端嚴(yán)寒天氣并沒(méi)有做好準(zhǔn)備，大多數(shù)選手沒(méi)有準(zhǔn)備御寒衣物，因此在寒風(fēng)凍雨中出現(xiàn)失溫，導(dǎo)致死亡。這個(gè)消息令人無(wú)比的悲痛和震驚，也讓人們意識(shí)到失溫的可怕與危險(xiǎn)性。那么，在材料領(lǐng)域是否有能夠?qū)故氐谋夭牧系难芯磕兀牧峡茖W(xué)家們能否研究出不畏酷暑嚴(yán)寒的材料呢。
其實(shí)，人體熱管理（Personal thermal management）是一個(gè)越來(lái)越受到研究者關(guān)注的領(lǐng)域，通過(guò)在Web of science上搜索可以發(fā)現(xiàn)自2012年以來(lái)，雖然關(guān)于Personal thermal management 的發(fā)文量總體不多，但是發(fā)文量一直處于快速上升狀態(tài)。并且，隨著智能織物的蓬勃發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)人體熱管理的智能織物材料將會(huì)成為未來(lái)材料研究的熱點(diǎn)。下面我們給大家介紹發(fā)表于頂刊上的關(guān)于人體熱管理的一些經(jīng)典研究工作。
近十年（2012-2022）人體熱管理研究發(fā)文數(shù)
1. 斯坦福大學(xué)崔屹Nano Lett.: 金屬納米線涂層紡織物用于個(gè)人熱管理
人類(lèi)日常供暖會(huì)消耗大量能源，也因此成為溫室氣體排放的主要來(lái)源。盡管節(jié)能建筑在改進(jìn)隔熱和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，但仍有很大一部分能源浪費(fèi)在加熱空曠空間和非人類(lèi)物體上。有鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授等人在此文中提出利用個(gè)人熱管理可以大量減少能量消耗。作者認(rèn)為使用新型材料組裝可穿戴個(gè)人熱管理器件可以在個(gè)體中實(shí)現(xiàn)供熱或隔熱過(guò)程，從而盡量減少人體熱量的耗散和對(duì)環(huán)境供熱的需求。此文中，作者展示了一種金屬納米線嵌入的布料織物作為個(gè)人熱管理系統(tǒng)，可以有效減少能源浪費(fèi)。研究結(jié)果表明，采用金屬納米線形成一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅可以反射人體紅外輻射而具有高度的隔熱性，而且還允許利用焦耳加熱來(lái)補(bǔ)充被動(dòng)隔熱。此外，金屬納米線的多孔結(jié)構(gòu)并沒(méi)有犧牲布料織物的透氣性和耐用性。與傳統(tǒng)的室內(nèi)取暖器相比，這種金屬納米線嵌入的布料織物可以有效地提高體溫，并節(jié)約數(shù)百瓦每人的能量。
Personal Thermal Management by Metallic Nanowire-Coated Textile. Nano lett. 15, 365–371 (2015). https://doi.org/10.1021/nl5036572.
2. 斯坦福大學(xué)崔屹Science: 納米多孔聚乙烯織物助力輻射人體降溫
通過(guò)對(duì)個(gè)人的加熱和冷卻來(lái)進(jìn)行熱管理是一種擴(kuò)大室內(nèi)溫度設(shè)定值范圍以節(jié)省大量能源的策略。2016年，斯坦福大學(xué)崔屹教授等人于Science上報(bào)道了一種納米聚乙烯 （nanoPE）材料，由于其孔徑分布為50 到 1000 納米， nanoPE材料對(duì)中紅外人體輻射是透明的，但對(duì)可見(jiàn)光不透明。通過(guò)對(duì)nanoPE進(jìn)一步加工，將nanoPE表面改性為親水性，并將聚多巴胺（PDA）包覆在nanoPE上，作者開(kāi)發(fā)出一種可促進(jìn)有效的輻射冷卻，同時(shí)仍具有足夠的透氣性、吸水率和機(jī)械強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)耐磨性的織物。 同時(shí)，作者開(kāi)發(fā)了一種模擬皮膚溫度的裝置，發(fā)現(xiàn)與用棉布覆蓋時(shí)相比，用nanoPE布和加工過(guò)的nanoPE布覆蓋時(shí)的溫度分別低 2.7 °C 和 2.0 °C。該結(jié)果表明加工過(guò)的納米聚乙烯是一種用于人體熱管理的有效且可擴(kuò)展的織物。
Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science, 353, 1019-1023 (2016). DOI: 10.1126/science.aaf5471
3. 斯坦福大學(xué)崔屹Nat. Commun.: 保溫利器-納米多孔金屬化聚乙烯織物
空間供暖是建筑物最大的能源終端使用，給社會(huì)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。通過(guò)被動(dòng)加熱人體周?chē)闹苯迎h(huán)境，可以節(jié)省為整個(gè)建筑物空間加熱而浪費(fèi)的能源。本文中，斯坦福大學(xué)崔屹教授等人報(bào)道了一種具有定制紅外（IR）特性的納米光子結(jié)構(gòu)織物，該織物使用納米多孔金屬化聚乙烯進(jìn)行被動(dòng)人體加熱，指出了未來(lái)利用金屬化聚乙烯制造具有優(yōu)越保溫性服飾的可能。作者首先構(gòu)建了一維穩(wěn)態(tài)熱傳遞模型，發(fā)現(xiàn)了寒冷環(huán)境中衣物紅外性能和外界溫度的關(guān)系，結(jié)果表明織物外表面的紅外輻射率對(duì)衣物的保溫性能有重要影響，而織物內(nèi)表面的紅外輻射率對(duì)保溫性能幾乎沒(méi)有影響。隨后，通過(guò)在具有嵌入納米孔的IR透明層上構(gòu)造IR反射層，納米多孔金屬化聚乙烯紡織品在外表面上具有最小的IR發(fā)射率（10.1%），可以有效地抑制散熱損失，同時(shí)又不降低穿著舒適度。與普通紡織品相比，這可將環(huán)境溫度設(shè)定值降低7.1 °C，大大優(yōu)于其他輻射加熱紡織品。這種大的溫度設(shè)定點(diǎn)擴(kuò)展可以以具有成本效益的方式節(jié)省超過(guò) 35% 的建筑供暖能源，最終有助于緩解全球能源和氣候問(wèn)題。
Warming up human body by nanoporous metallized polyethylene textile. Nat. Commun. 8, 496 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00614-4.
4. 斯坦福大學(xué)崔屹 Adv. Mater.: 正穿保暖，反穿降溫-用于人體輻射加熱和冷卻的織物
維持人體溫度是生活最基本的需求之一，而維持環(huán)境溫度恒定往往需要消耗大量的能量。為了在保持人體熱舒適的同時(shí)，擴(kuò)大環(huán)境溫度范圍，個(gè)人熱管理的概念最近在通過(guò)人體紅外輻射控制分別在保溫和降溫織物中得到了證明。在同一種紡織品中實(shí)現(xiàn)這兩種相反的功能將是一項(xiàng)激動(dòng)人心的科學(xué)挑戰(zhàn)和重大的技術(shù)進(jìn)步。在Science和Nat. Commun. 分別發(fā)表關(guān)于降溫和保溫織物的文章后，斯坦福大學(xué)崔屹教授等人在Sci. Adv. 展示了一種雙模式織物，只需幾十微米的薄薄一層，就可以在沒(méi)有任何能量輸入的情況下使用同一塊織物執(zhí)行被動(dòng)輻射加熱和冷卻。這種雙?？椢镉汕度爰t外透明納米多孔聚乙烯 （nanoPE）層內(nèi)的雙層發(fā)射器組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射率和納米 PE 厚度的不對(duì)稱特性可以導(dǎo)致兩種不同的傳熱系數(shù)，并在低發(fā)射率層朝外時(shí)實(shí)現(xiàn)加熱，當(dāng)高發(fā)射率層朝外時(shí)通過(guò)將織物由內(nèi)而外穿來(lái)冷卻。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是正面穿時(shí)，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，可以幫助人體散熱，實(shí)現(xiàn)正穿保暖，反穿降溫。這項(xiàng)發(fā)明的數(shù)值擬合進(jìn)一步預(yù)測(cè)了雙?？椢锟梢允沟萌梭w溫度舒適區(qū)擴(kuò)大14.7 ℃，從而有望顯著降低大量的建筑物制冷/制熱能耗。
A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling. Sci. Adv. 3, 11 (2017). https://doi.org/10.1126/sciadv.1700895.
更令人驚奇的是，這項(xiàng)神奇的研究在三年之后就完成了從“上書(shū)架”到“上貨架”的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用。2020年10月，崔屹教授旗下的EEnotech公司推出了使用雙模輻射織物的第一代限量版保溫夾克，該夾克厚度僅為0.5 mm（最薄可達(dá)0.3 mm)、可在10 °C的環(huán)境中為人們提供舒適感，具有超輕、防風(fēng)防雨、兩級(jí)保暖等特征。其中，銀色面外穿保暖，冷黑色面外穿降溫。（P.S. 目前這款通用夾克在EEnotech官網(wǎng)有售哦）
5. 維克森林大學(xué)David Carroll &東華大學(xué)王宏志Small封面: 用于個(gè)人熱管理的超薄、可水洗和大面積石墨烯紙
開(kāi)發(fā)新型個(gè)人熱管理材料，實(shí)現(xiàn)服裝調(diào)溫功能的雙向性是幫助人體對(duì)抗極端惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境下的體溫驟變的有效方法，但目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。此文中，東華大學(xué)王宏志教授與美國(guó)維克森林大學(xué)David Carroll教授報(bào)道用于個(gè)人熱管理 （PTM）的獨(dú)立式、靈活/可折疊和可穿戴的雙功能超薄石墨烯紙。作者采用高通量的刮涂法和基于維C的熱液還原制備了力學(xué)性能優(yōu)異的超薄結(jié)構(gòu)石墨烯紙（1~8 μm），并應(yīng)用于服裝上。研究結(jié)果表明，在嚴(yán)寒環(huán)境下，石墨烯紙優(yōu)異的導(dǎo)電性賦予其卓越的焦耳加熱特性，使其能夠在3.2V的低電壓下實(shí)現(xiàn)快速升溫，提供 42 °C 的額外溫暖。此外，在炎熱環(huán)境下，基于石墨烯紙的高面外導(dǎo)熱性，它能在7秒內(nèi)將服裝內(nèi)環(huán)境的熱量快速導(dǎo)向外環(huán)境，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻，幫助人體體表環(huán)境降溫。 石墨烯紙的冷卻效果優(yōu)于普通棉纖維，而且隨著厚度差的增加，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出。目前制備的雙功能石墨烯紙具有抗彎曲循環(huán)超過(guò) 500 次和洗滌時(shí)間超過(guò) 1500 分鐘的高耐久性，表明其在可穿戴 PTM 中的巨大潛力。
Ultrathin, Washable, and Large-Area Graphene Papers for Personal Thermal Management. Small 13, 1702645 (2017). https://doi.org/10.1002/smll.201702645.
6. 浙江大學(xué)柏浩Adv. Mater.: 一種受北極熊毛啟發(fā)的隔熱紡織物
生活在極冷環(huán)境中的動(dòng)物例如北極熊，得益于其空心毛發(fā)，已表現(xiàn)出非凡的保暖能力。在合成纖維中模仿這種策略將激活智能織物進(jìn)行有效的個(gè)人熱管理，這在防止熱量損失和提高房屋保溫能源消耗效率方面將發(fā)揮重要作用。有鑒于此，浙江大學(xué)的柏浩教授等人在此文中，使用“冷凍紡絲”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有對(duì)齊多孔結(jié)構(gòu)的纖維的連續(xù)和大規(guī)模制造，用以模仿北極熊的毛發(fā)，這是其他方法難以實(shí)現(xiàn)的。研究結(jié)果表明，用這種仿生纖維織成的紡織品具有優(yōu)良的隔熱性能以及良好的透氣性和耐磨性。除了被動(dòng)隔離熱損失外，當(dāng)摻入碳納米管等電加熱材料時(shí)，該紡織品還可以用作可穿戴加熱器，以誘導(dǎo)快速熱響應(yīng)和均勻電加熱，同時(shí)保持其柔軟和多孔的特性，從而擁有良好的穿著舒適性。
A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair. Adv. Mater. 30, 1706807 (2018). https://doi.org/10.1002/adma.201706807.
7. 加州大學(xué)圣地亞哥分校陳仁坤&徐升Sci. Adv.: 用于個(gè)性化溫度調(diào)節(jié)的可穿戴熱電設(shè)備
體溫調(diào)節(jié)對(duì)能量消耗以及人類(lèi)舒適和健康具有重要的影響。然而，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，冷卻技術(shù)基本保持不變，而且無(wú)論居住人數(shù)的多少，仍然依賴于對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行制冷。熱電裝置（TED）的個(gè)性化溫度調(diào)節(jié)可以顯著減少冷卻量并滿足個(gè)性化的冷卻需求，但由于缺少具有可持續(xù)的高冷卻性能的柔性TED，目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。本文中，加州大學(xué)圣地亞哥分校陳仁坤&徐升等研究者展示了一種可穿戴TED，它可以提供超過(guò)10 °C的冷卻效果，并具有高性能系數(shù)(COP > 1.5)。由于在雙彈性體之間加入剛性無(wú)機(jī)高熱電優(yōu)值（ZT）的熱電（TE）柱，以及空氣絕緣絕熱層的新穎設(shè)計(jì)，該TED是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高柔性主動(dòng)冷卻的產(chǎn)品。此外，該TED在沒(méi)有使用其他散熱器的情況下，可以達(dá)到10 ℃以上的降溫效果。該研究還將TED集成到了一件可穿戴的衣服中，展示了其對(duì)人體皮膚的長(zhǎng)期、節(jié)能的降溫和加熱效果，研究結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)境溫度在22 ℃到36 ℃之間變化，該衣物可保持人體皮膚在32 ℃的舒適溫度。與傳統(tǒng)的集中空間冷卻方式相比，TED自動(dòng)化的冷卻能力為個(gè)性化冷卻提供了巨大的節(jié)能潛力，從而在提高人體舒適度的同時(shí)大大降低能源消耗。
Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation. Sci. Adv. 5, eaaw0536 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw0536.
8. 中科大俞書(shū)宏院士Chem: 仿生碳管氣凝膠實(shí)現(xiàn)超彈性和隔熱
北極熊中空、輕質(zhì)且不可潤(rùn)濕的毛發(fā)有助于其抵御極端寒冷的環(huán)境。受北極熊毛發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中科大俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)采用一維納米線作為模板，通過(guò)模板法制備宏觀尺度的具有超彈性和出色隔熱性能的輕質(zhì)碳管氣凝膠（CTA），這種材料具有了北極熊毛發(fā)的所有優(yōu)點(diǎn)，包括輕質(zhì)、防水和隔熱性。這種由中空碳纖維管組成的CTA重量輕，最低密度僅為8 kg/m3，并且具有146 °接觸角的優(yōu)異防水性能。同時(shí)，CTA 的最低熱導(dǎo)率僅為 23 mW·m-1·K-1，優(yōu)于干燥空氣。值得注意的是，仿生 CTA 材料顯示出比北極熊毛更好的超彈性和抗疲勞性，優(yōu)化后的氣凝膠可以在 30% 應(yīng)變下超過(guò) 100 萬(wàn)次壓縮-釋放循環(huán)和 90% 應(yīng)變下超過(guò) 10,000 次循環(huán)后保持結(jié)構(gòu)完整性。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鋼球下落測(cè)試，其回彈速度達(dá)1,434 mm/s，進(jìn)一步證實(shí)了其超彈性。這種碳管氣凝膠宏觀合成的仿生設(shè)計(jì)為未來(lái)設(shè)計(jì)高性能輕質(zhì)、超彈性和隔熱材料打開(kāi)了一扇窗，可廣泛應(yīng)用于仿生工程材料領(lǐng)域，如建筑、 航天等。
Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation. Chem 5, 1871-1882 (2019). DOI:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
不難看出，用于人體熱管理的新型材料研發(fā)已經(jīng)走上了快車(chē)道，越來(lái)越多的高性能材料和精妙的設(shè)計(jì)為未來(lái)智能人體熱管理織物的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，并且將為能源節(jié)約貢獻(xiàn)力量。當(dāng)然，人體熱管理材料的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在諸多問(wèn)題，但是我們也能欣慰地看見(jiàn)這些問(wèn)題真正被解決，一部分優(yōu)良的成果也已投入生產(chǎn)，未來(lái)仍可期。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：材料人