光照下進行熱電產生實驗
材料的原理示意圖和實物圖 受訪者供圖
如果一件衣裳，正穿溫暖，反穿涼爽，穿上它還可全天發電，給你的耳機充電，讓你閃閃發光。你是不是現在就想來上一件。
日前，浙江大學光電學院教授李強與西湖大學工學院教授仇旻聯合團隊，研發出一款微納熱管理材料，它可以制成衣服，一面能給使用者帶來溫暖，另一面能幫助人們保持涼爽。此外，該材料還有望用于建筑物熱管理，為節能減排開拓新思路。近日，相關研究在《納米通訊》雜志上發表。
正穿溫暖，反穿涼爽
“這種材料有兩層，上層為白色，用于散熱。下層為灰黑色，能夠保溫?！崩顝姼嬖V《中國科學報》，“夏天或者白天人們需要散熱時，就把白色層穿在外邊。冬天或者夜間需要保溫時，把衣服反過來，黑色層穿在外邊即可?！?/p>
這種雙層材料中間是帶有納米孔的鋁，鋁的一側是兩種有機材料ePTFE（戶外衣服常用材料） 和 PMMA。其中，多孔的 PMMA 涂層涂覆在 ePTFE 上，可以增強輻射散熱，還能高效散射太陽輻射能量。鋁的另一側采用納孔聚乙烯上沉積鋅、銅納米顆粒的方法，可來抑制輻射散熱、并高效吸收太陽輻射能量。
“也就是說，保溫時它能盡可能地吸收太陽的熱量，并將人體熱輻射反射回皮膚。散熱時盡可能散射太陽光，同時高效地將人體熱輻射散到外界環境中?！崩顝娬f，“織物材料整體厚度只有約 0.3毫米，比普通的 T 恤（約 0.5毫米）還要薄?！?/p>
為測試這種微納材料的性能，研究人員將其與黑、白兩種顏色的棉布放到太陽下對比，并記錄模擬皮膚的溫度變化。
“實驗表明，在陽光下，保溫模式時該材料比黑色棉布讓模擬皮膚多升溫14oF（約8℃）。散熱模式時，比白色棉布讓模擬皮膚降溫約11oF（約6℃）；在晴朗的夜晚，保溫模式時模擬皮膚溫度比白色棉布提高了5oF（約 3℃）?！痹撜撐墓餐谝蛔髡吡_皓說，“通過兩種模式的切換，模擬皮膚能保持在舒適的溫度范圍?！?/p>
這種材料的織物表面廣泛分布著微納孔結構，其孔隙遠大于水汽分子的直徑，因而可以保證水汽在織物內部暢通無阻。透水汽性能測試發現，這種織物的水汽透過率和棉基本相同。因此，它能讓人們的皮膚觸感接近正常衣服。
“這種材料可以直接使用常規的工具（包括剪刀）進行裁剪加工?！崩顝娬f，“日常清潔方面，這種衣服可以采用清水洗滌方式。我們做過10次水洗實驗，每次機洗1小時，10次機洗后性能依然良好?！?/p>
因為該材料加工涉及磁控濺射與噴涂等常規工藝，在日常清洗或保養時，10次水洗之后，性能會有所衰減。
“如果在保溫面噴涂一層疏水噴霧，就可以解決這個問題（保養護理過程中多次水洗）?！崩顝娬f。
研究人員在實驗室加工過程中，從市場上購買相關材料成本是每平方米40元左右。
“其中PTFE成本20元，而且這部分可以進一步降低。另外20元主要為PMMA成本，大批量采購的話價格肯定也會更低?！崩顝娬f，“此外，PMMA層并非必須，它的主要作用是為進一步增強散熱性能?！?/p>
化身移動“充電寶”
用這種材料做成的衣服，皮膚和衣服間能產生“溫差”，如果把熱電材料放在兩個有溫差的物體中間，就能將熱能轉化成電能。這自然讓科學家想到它的另一個“附贈”的應用——發電。
研究發現，按照當前熱電材料產生電能的效率，中午在保溫模式下，這種微納材料覆蓋下熱電模塊可產生69毫瓦/平方米的電能。夜間在散熱模式下也能產生約24毫瓦/平方米的電能。
“人體表面約1.6平方米，正午最大能產生110毫瓦的功率。我們平時使用的耳機功率約十幾毫瓦，所以它完全可以給耳機充電?！崩顝娬f，“智能手機的功率約5瓦，因此目前還不能為手機充電?！?/p>
李強解釋說，衣服和皮膚的溫度差肯定不能太大，否則會灼傷皮膚，所以利用這個溫差也有一定的局限性。另一個能夠提升發電功率的因素是熱電模塊的溫度電壓系數，“但這是個熱電材料的問題，還需要進一步提高材料科技水平”。
研究人員希望，隨著相關技術的逐步提高，這種功能可用來為人們的可穿戴電子設備供電。
微納熱管理或有大應用
熱輻射是熱量傳遞的三種方式之一。熱輻射在熱管理、能源利用、紅外隱身及紅外檢測等領域發揮著重要作用。近年來，隨著微納光子學發展，法布里—珀羅光學腔、光柵、光子晶體以及超表面等微納結構研究愈發成熟，人們將這些結構應用到熱輻射中，為熱輻射的光譜和空間調控提供了基礎，通過熱輻射途徑來調控人體和外界熱交換成為可能。
除用于制衣之外，這種微納結構材料還可用于建筑物的熱管理等。
“我們通常認為出汗越多，排出的熱量越多。這當然沒錯，但實際上人體絕大多數熱量是通過輻射光波出去的?！背饡F對《中國科學報》說，“人體65%的能量是通過熱輻射散發出去，所以如果要保溫，最好的辦法是降低熱輻射，如果要散熱最好的辦法是增強熱輻射。雖然增強熱輻射有點難，但保溫是可以做到的?！?/p>
仇旻解釋說，人們可以通過納米結構，改變材料的輻射效果，目前用微納結構來改變熱輻射，已經用了一些應用，比如隱身、進行熱輻射管理等。如果在物體表面覆蓋一層這種微納薄膜，可以改變它的熱輻射，讓它表面溫度降下來?！氨热?，在夏天，如果我們在屋頂覆蓋這樣的材料，能讓室內溫度降低4至5攝氏度”。
隨著微納結構熱輻射調控技術的發展，人們在熱管理和能源利用方面或將擁有更多的自由。（來源：中國科學報 張雙虎）
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00400
