2021年5月22日是中國馬拉松史上最黑暗的一天，在這場甘肅省馬拉松百公里越野賽中，選手們在賽程中遭遇了極端天氣，強風(fēng)凍雨和冰雹奪走了21條鮮活的生命。這起事故中，主辦方和選手們對極端嚴(yán)寒天氣并沒有做好準(zhǔn)備，大多數(shù)選手沒有準(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。這個消息令人無比的悲痛和震驚，也讓人們意識到失溫的可怕與危險性。那么，在材料領(lǐng)域是否有能夠?qū)故氐谋夭牧系难芯磕?，材料科學(xué)家們能否研究出不畏酷暑嚴(yán)寒的材料呢。
其實，人體熱管理（Personal thermal management）是一個越來越受到研究者關(guān)注的領(lǐng)域，通過在Web of science上搜索可以發(fā)現(xiàn)自2012年以來，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成為未來材料研究的熱點。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人熱管理
人類日常供暖會消耗大量能源，也因此成為溫室氣體排放的主要來源。盡管節(jié)能建筑在改進隔熱和設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，但仍有很大一部分能源浪費在加熱空曠空間和非人類物體上。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人熱管理可以大量減少能量消耗。作者認為使用新型材料組裝可穿戴個人熱管理器件可以在個體中實現(xiàn)供熱或隔熱過程，從而盡量減少人體熱量的耗散和對環(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人熱管理系統(tǒng)，可以有效減少能源浪費。研究結(jié)果表明，采用金屬納米線形成一個導(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補充被動隔熱。此外，金屬納米線的多孔結(jié)構(gòu)并沒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
通過對個人的加熱和冷卻來進行熱管理是一種擴大室內(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材料對中紅外人體輻射是透明的，但對可見光不透明。通過對nanoPE進一步加工，將nanoPE表面改性為親水性，并將聚多巴胺（PDA）包覆在nanoPE上，作者開發(fā)出一種可促進有效的輻射冷卻，同時仍具有足夠的透氣性、吸水率和機械強度以實現(xiàn)耐磨性的織物。 同時，作者開發(fā)了一種模擬皮膚溫度的裝置，發(fā)現(xiàn)與用棉布覆蓋時相比，用nanoPE布和加工過的nanoPE布覆蓋時的溫度分別低 2.7 °C 和 2.0 °C。該結(jié)果表明加工過的納米聚乙烯是一種用于人體熱管理的有效且可擴展的織物。
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，給社會帶來了沉重的負擔(dān)。通過被動加熱人體周圍的直接環(huán)境，可以節(jié)省為整個建筑物空間加熱而浪費的能源。本文中，斯坦福大學(xué)崔屹教授等人報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行被動人體加熱，指出了未來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保溫性能幾乎沒有影響。隨后，通過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)定點擴展可以以具有成本效益的方式節(jié)省超過 35% 的建筑供暖能源，最終有助于緩解全球能源和氣候問題。
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，擴大環(huán)境溫度范圍，個人熱管理的概念最近在通過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現(xiàn)這兩種相反的功能將是一項激動人心的科學(xué)挑戰(zhàn)和重大的技術(shù)進步。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，就可以在沒有任何能量輸入的情況下使用同一塊織物執(zhí)行被動輻射加熱和冷卻。這種雙模織物由嵌入紅外透明納米多孔聚乙烯 （nanoPE）層內(nèi)的雙層發(fā)射器組成。實驗結(jié)果表明，發(fā)射率和納米 PE 厚度的不對稱特性可以導(dǎo)致兩種不同的傳熱系數(shù)，并在低發(fā)射率層朝外時實現(xiàn)加熱，當(dāng)高發(fā)射率層朝外時通過將織物由內(nèi)而外穿來冷卻。簡單地說，就是正面穿時，可以最大限度減少人體對外的熱輻射，實現(xiàn)體表保溫；反面穿，最大限度增加人體對外輻射，可以幫助人體散熱，實現(xiàn)正穿保暖，反穿降溫。這項發(fā)明的數(shù)值擬合進一步預(yù)測了雙?？椢锟梢允沟萌梭w溫度舒適區(qū)擴大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，這項神奇的研究在三年之后就完成了從“上書架”到“上貨架”的過程，實現(xiàn)了實際應(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: 用于個人熱管理的超薄、可水洗和大面積石墨烯紙
開發(fā)新型個人熱管理材料，實現(xiàn)服裝調(diào)溫功能的雙向性是幫助人體對抗極端惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境下的體溫驟變的有效方法，但目前仍然是一個挑戰(zhàn)。此文中，東華大學(xué)王宏志教授與美國維克森林大學(xué)David Carroll教授報道用于個人熱管理 （PTM）的獨立式、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，實現(xiàn)被動冷卻，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)勢會更加突出。目前制備的雙功能石墨烯紙具有抗彎曲循環(huán)超過 500 次和洗滌時間超過 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行有效的個人熱管理，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)實現(xiàn)了具有對齊多孔結(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。除了被動隔離熱損失外，當(dāng)摻入碳納米管等電加熱材料時，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.: 用于個性化溫度調(diào)節(jié)的可穿戴熱電設(shè)備
體溫調(diào)節(jié)對能量消耗以及人類舒適和健康具有重要的影響。然而，一個多世紀(jì)以來，冷卻技術(shù)基本保持不變，而且無論居住人數(shù)的多少，仍然依賴于對整個空間進行制冷。熱電裝置（TED）的個性化溫度調(diào)節(jié)可以顯著減少冷卻量并滿足個性化的冷卻需求，但由于缺少具有可持續(xù)的高冷卻性能的柔性TED，目前還沒有實現(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機高熱電優(yōu)值（ZT）的熱電（TE）柱，以及空氣絕緣絕熱層的新穎設(shè)計，該TED是第一個實現(xiàn)長期高柔性主動冷卻的產(chǎn)品。此外，該TED在沒有使用其他散熱器的情況下，可以達到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，展示了其對人體皮膚的長期、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自動化的冷卻能力為個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. 中科大俞書宏院士Chem: 仿生碳管氣凝膠實現(xiàn)超彈性和隔熱
北極熊中空、輕質(zhì)且不可潤濕的毛發(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)，中科大俞書宏院士團隊采用一維納米線作為模板，通過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，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，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 100 萬次壓縮-釋放循環(huán)和 90% 應(yīng)變下超過 10,000 次循環(huán)后保持結(jié)構(gòu)完整性。通過標(biāo)準(zhǔn)鋼球下落測試，其回彈速度達1,434 mm/s，進一步證實了其超彈性。這種碳管氣凝膠宏觀合成的仿生設(shè)計為未來設(shè)計高性能輕質(zhì)、超彈性和隔熱材料打開了一扇窗，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)走上了快車道，越來越多的高性能材料和精妙的設(shè)計為未來智能人體熱管理織物的發(fā)展提供了強大的動力，并且將為能源節(jié)約貢獻力量。當(dāng)然，人體熱管理材料的實際應(yīng)用過程中還存在諸多問題，但是我們也能欣慰地看見這些問題真正被解決，一部分優(yōu)良的成果也已投入生產(chǎn)，未來仍可期。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：材料人