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輻射冷卻紡織品有望在全球不斷升高的溫度下實現個人熱舒適。然而，城市地區的熱島效應很大程度上降低了冷卻紡織品作為可穿戴織物的有效性，主要源于它們吸收來自地面和附近建筑的輻射。

通過分子設計，美國芝加哥大學的徐伯均教授（通訊作者）、吳榮輝和隋忱汐（共同第一作者）等人開發了一種中紅外（MIR）光譜選擇性的分層紡織品（SSHF），其發射率在大氣透射窗口中占主導地位，最大限度地減少了來自周圍環境的凈熱增益。由于納米-微雜化纖維結構的強Mie散射，SSHF具有較高的0.97的太陽光譜反射率。當SSHF在白天垂直放置在模擬的室外城市場景中時，它比一個反射太陽能的寬帶發射器低2.3°C，而且具有良好的可穿戴性能。

相關文章以“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”為題發表在Science上。這也是徐伯均教授時隔8年之后再次在Science上發表冷卻布料技術的研究性論文，當年被《科學美國人》評為“改變世界的十大科技”。

徐伯鈞，2016 年畢業于斯坦福大學材料科學與工程專業，獲得博士學位，師從崔屹教授。博士研究方向為輻射加熱/冷卻紡織品、電致變色器件、納米纖維靜電紡絲和金屬納米線透明電極。2016-2018年在斯坦福大學從事機械工程博士后研究，主要從事范德華異質結構材料的電熱冷卻和熱性能研究。徐博士接受過材料科學和傳熱方面的培訓，并參與了廣泛的項目，致力于可以造福人類的跨學科、多尺度和以解決方案為導向的研究。研究小組旨在開發用于光和熱管理的創新材料。考慮到應用和所需功能，我們設計、合成和制造具有理想光子結構、化學性質或傳熱特性的材料和設備。重點領域包括智能紡織品、光子纖維、太陽能海水淡化和固態冷卻。課題組成立至今，目前已經在Science，Nature Communication，Science advances, Advanced energy materials, ACS Energy letters等著名期刊上發表多篇論文。

【研究背景】

城市熱島效應已成為影響人體健康的一大重要問題，加劇了全球變暖的影響。這種現象會導致一系列與熱有關的疾病，包括心血管死亡、呼吸系統疾病、神經系統疾病和損傷。城市熱島效應的一個主要原因是城市基礎設施，如建筑物和地面，吸收了更多的太陽輻射，并比草地、樹木和水體等自然景觀向周圍輻射了更多的輻射。這種效應不僅放大了導致更高發病率和死亡風險的熱浪，而且對能源消耗、空氣質量和城市生態系統也有重大影響。目前，世界上一半以上的人口居住在城市。隨著所有國家城市化程度的增加，預計將從2022年的57%增長到2050年的68%，全球更大比例的人將暴露于城市熱島效應，在不久的將來，城市地區極端高溫的風險將會增加。因此，采取積極措施保持健康，抵御城市熱島效應對當代社會至關重要。

保持熱舒適性的一種有前途的方法是通過輻射冷卻紡織品，將熱輻射發射到外層空間并拒絕太陽輻射。在晴朗的天空下，被動輻射冷卻性能已經得到證明，但通常不考慮來自加熱地面和城市結構的熱量增益。具體來說，輻射冷卻紡織品通常設計為在整個中紅外區域（MIR）廣泛發射熱量，并假設它們有無障礙的天空視野。因此，它們的冷卻性能，包括冷卻功率和溫度降低，但這種假設忽略了大約97%的紡織品通常來自一個穿著充分的站立的人，只有一小部分布料區域（<3%）是水平方向的。因此，在現實場景中，服裝的視野中有50%被地面遮擋，而在城市場景中，由于建筑物和其他基礎設施，這一比例增加得更多。

當暴露在強烈的太陽輻射下時，可以達到超過70℃的高溫并散發出大量的熱量。根據基爾霍夫定律，發射率等于熱力學平衡下的吸收率。換言之，寬帶發光紡織品的冷卻性能通常會受到來自周圍環境的入射熱輻射的極大影響。為了在更逼真的場景中實現衣服的高冷卻性能，應設計光譜選擇性紡織品，使發射僅在波長范圍為8至13 μm的大氣傳輸窗口（ATW）中占主導地位，并且抑制來自周圍地面或建筑物的所有非ATW寄生熱。這個概念是由 Mandal 等人提出的，用于建筑外墻，但展示相同的設計用于人體冷卻并非易事。

【內容詳解】

本文設計了一種MIR光譜選擇性分層紡織品（SSHF），其ATW光譜選擇性比高達2.23，平均ATW發射率為0.85，在城市地區具有明顯的冷卻效果。ATW區域的高發射率使SSHF能夠向外層空間發射熱量，而非ATW區域的高反射率（低吸收率）使周圍熱地面或建筑物的熱量吸收最小化。

圖1. 用于輻射冷卻的垂直取向織物的光譜選擇性紡織品的概念和優勢。

同時，基于多模態傳熱機制和光-物質相互作用設計了SSHF，它由聚甲基戊烯（PMP）納米-微雜化纖維層、銀納米線（AgNW）和羊毛織物組成。由于靜電紡絲過程中溶劑的連續揮發，表面PMP光纖具有廣泛的尺寸分布，從而實現了覆蓋整個太陽光譜的寬帶散射效率。值得注意的是，PMP只有C-C（954-1004 cm^-1）、-CH₂（1176-1241 cm^-1）、-CH（862-881 cm^-1）和-CH₃（931 cm^-1）鍵鍵，因此它作為僅在ATW范圍內具有高吸收的選擇性發射極顯示出巨大的潛力。中間的AgNW層在整個MIR區域提供高反射率，防止紅外（IR）從城市基礎設施傳輸到人體。底部羊毛織物是寬帶發射器，它通過織物-皮膚氣隙吸收來自人體皮膚的熱輻射，并通過AgNW層進一步將熱量傳導到頂部PMP織物。

圖2：PMP織物的MIR光譜選擇性和太陽反射率。

圖3：SSHF的結構和可穿戴性能。

圖4：SSHF和各種常見紡織品樣品的室外熱測量。

圖5：SSHF和理想的選擇性發射器在不同城市場景下的冷卻功率對比。

總的來說，開發了一種光譜工程分層紡織品，其選擇性發射率在朝外側的ATW中占主導地位，在向內側具有寬帶發射率。ATW區域的高發射率使SSHF表面能夠向外層空間散發熱量，而非ATW區域的高反射率（低吸收率）最大限度地減少了來自炎熱環境（如地面和建筑物）的熱量增加。同時，高向內寬帶發射率有利于與人體的輻射熱交換，與氣隙傳導和對流平行。同時，SSHF具有優異的耐磨性，包括透氣性、耐洗性、耐久性、強大的機械性能和抗紫外線老化性能。在個人與其環境之間的全面傳熱分析的支持下，用于垂直面紡織品的選擇性光譜設計引入了一種創新且有效的被動個人冷卻解決方案，以應對城市熱島效應，該解決方案不僅具有減少空調能耗的潛力，而且還可以作為與熱相關的健康問題的預防措施。

【文獻信息】

Ronghui Wu?, Chenxi Sui?, Ting-Hsuan Chen, Zirui Zhou, Qizhang Li, Gangbin Yan, Yu Han,

Jiawei Liang, Pei-Jan Hung, Edward Luo, Dmitri V. Talapin1, Po-Chun Hsu1*,?Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0653

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