Nature Sustainability：清华张如范联合南大朱嘉团队研发出一种多场景适用的人体辐射制冷织物

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张如范团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

2023年8月14日，清华大学张如范副教授课题组与南京大学朱嘉教授团队合作，在人体辐射制冷织物研究方面取得重要进展，该工作发表在Nature Sustainability上，论文标题为“An all-weather radiative human body cooling textile”。以下为张如范团队针对该工作的解读。

论文截图

辐射制冷技术应用在人体热管理上的优势

发展低能耗的人体热管理技术对于人体健康和可持续发展至关重要。基于辐射制冷（Radiative cooling）的人体热管理技术是一种零能耗方案，可以在不消耗任何能源且无温室气体排放的情况下实现炎热环境中高效的人体降温，是传统高耗能制冷设备（如空调）的有力补充，乃至替代性技术。辐射制冷的原理是利用自然界的固有温差（例如人体和周围环境之间、地球和外太空之间）而形成的净辐射传热来实现高效降温。若能将辐射制冷技术集成到人体织物中，势必会大幅度减少传统高耗能制冷设备的使用，有助于“双碳”目标的实现。

现有的辐射制冷织物主要分为两类（图1），一类是对人体热辐射高透过的织物（如聚乙烯纳米纤维织物，Nano-PE），称之为透射型（Transmission-type）辐射制冷织物（图1a,c）。这种织物可以使人体热量不受阻拦地发散到周围环境（通常低于体表温度）中来实现降温。另一类是对人体辐射具有高吸收率（同时具有高的发射率，基尔霍夫定律）的织物，称之为发射型（Emission-type）辐射制冷织物（图1b, d）。这种织物可以先将人体热量吸收，然后通过大气层的透明窗口（8–13 μm）将之发射到寒冷的外太空（~3 K）来实现高效降温。

辐射制冷织物面临的挑战

虽然上述辐射制冷织物已经取得优异的人体降温性能，但它们的应用场景是受限的，无法同时在不同炎热的室内和室外（包括阴天和晴天）场景中发挥高效的人体辐射降温作用。具体而言，对于透射型织物，为了保证其高的人体辐射透过率，需要足够薄的厚度，这使得其在户外阳光下使用时无法排除太阳热（低太阳反射率），因此不利于户外（特别是晴朗白天）场景的人体辐射制冷。

虽然最近的研究已经证明可以通过添加纳米颗粒等方式来提升其太阳反射率，但这些方式对人体健康不利（如添加氧化锌纳米颗粒可以有效提高Nano-PE的太阳反射率，但对人体存在安全风险），降低了透射型织物的可穿戴性。对于发射型织物而言，其制冷性能非常依赖大气透明窗口这一散热路径。当在室内场景使用时，该织物显然无法通过大气透明窗口散热，使其室内降温性能远不如透射型织物。此外，即使在室外的阴天（或多云）场景时，其散热路径也会被云层阻断，导致降温性能大打折扣。

总而言之，现有的典型辐射制冷织物通常适用于单一的场景，限制了辐射制冷技术在人体热管理中的广泛应用。这与美国能源网所描述的相一致，即“Although effective in some circumstances, radiant cooling is uncommon in the United States.”（https://www.energy.gov/energysaver/heating-and-cooling）。因此，开发出一种不受应用场景限制的人体辐射制冷织物具有重要的意义。

图1.透射型（Transmission-type，a和c）和发射型（Emission-type，b和d）辐射制冷织物的降温机理示意图（a和b），及其相应的光谱响应（c和d）。

本工作中，作者通过提出新型辐射制冷模型、理论计算和纳米-分子分级设计，开发了一种可以适用于各种应用场景的聚合物基辐射制冷纳米纤维织物，并证明该织物在包括室外晴天、室外阴天以及室内的多场景中均展示出优异的人体降温性能和良好的可穿戴性，解决了现有的人体辐射制冷织物应用场景受限的问题，拓宽了辐射制冷技术的应用范围，并有望推动其大规模实际应用。论文通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，共同通讯作者为南京大学朱嘉教授，论文共同第一作者为清华大学化工系博士后吴学科和南京大学博士生李金磊。

【选择性发射-透射模型】

根据现有典型辐射制冷织物的光谱特征，作者提出了一种环境适应型辐射制冷（Adaptive radiative cooling）理论模型（图2a）。该模型具有选择性发射-透射特征（结合了上述发射型织物和透射型织物各自的主要光谱特征），具体为：在大气透明窗口波段（8–13 μm）具有高发射率，而在非窗口中红外波段具有高透射率（即对人体辐射具有高透过率，61%）（图2b），同时兼具高太阳反射率。并通过理论计算，验证了这种具有选择性发射-透射特性的辐射制冷织物可以在多场景（包括室内和室外）中实现高效的人体降温（图2c-e）。

图2. 环境适应型发射-透射（Adaptive-type）辐射制冷模型的建立和理论计算。

聚甲醛纳米纤维织物

基于上述理论模型，作者进一步根据分子振动和米氏散射理论设计并制备了一种具有选择性发射-透射特性的聚甲醛（POM）纳米织物（图3）。具体地，聚甲醛的主链仅由C-O-C键构成，不含其他官能团，根据分子振动理论，该C-O-C键恰好仅在大气窗口（8–13 μm）波段呈现高振动吸收（同时具有高发射率）；而要想实现高太阳反射率以及高中红外波段的透过率，根据米氏散射理论，聚甲醛微观结构的尺寸分布（如纤维直径）需要与太阳光波段的波长相接近，且远离中红外波段。经过精细设计和纳米加工，该织物在大气透明窗口表现出高热发射率（75.7%），高人体辐射透过率（48.5%）以及高太阳反射率（94.6%），表明聚甲醛纳米纤维织物是一种典型的环境适应型辐射制冷织物。

图3. 聚甲醛（POM）纳米纤维织物的结构设计与性能表征。

多场景辐射制冷性能测试

为了测试聚甲醛纳米纤维织物的实际辐射制冷性能，作者在室外晴天、室外阴天和室内三个典型的实际场景中测试了样品的人体降温性能。测试结果证明，该聚甲醛纳米纤维织物体现出优于已报道的典型辐射制冷织物和商用棉布的人体降温性能，可同时在多种炎热场景下实现高效的人体散热（图4）。具体地，相比现有典型辐射制冷织物和商用棉布，晴天室外场景中的降温幅度可达到2.6 ~ 8.8 ℃，多云室外场景中的降温幅度可达到0.7 ~ 3.6 ℃，在室内场景中的降温幅度可达到0.5 ~ 1.2 ℃。值得注意的是，在室内场景使用时，每降低1 ℃，意味着空调临界温度可以提高1 ℃，对应可以节省~7%的能量消耗。

图4. 聚甲醛（POM）纳米纤维织物在不同场景下的降温性能测试。

可穿戴性测试和应用展示

聚甲醛纳米纤维织物还具有良好的可穿戴性（图5a-d），包括高透气性、高水蒸气透过率、高抗拉强度、高耐水性、高耐紫外照射性和高耐环境稳定性等。此外，作为医用防护服时（图5e-k），聚甲醛织物体现出显著优于商品防护服的制冷性能。在室外强阳光（≥ 800 W m-2）照射下，相比于商品防护服，聚甲醛纳米纤维织物的降温幅度达到~6 ℃，在室内环境中也可以降低~1 ℃。

图5. 聚甲醛（POM）纳米纤维织物的可穿戴性测试以及防护服应用。

本工作从理论上提出并从实验上实现了一种适用于多场景的环境适应型人体辐射制冷织物设计，也为将来设计更多高效的人体热管理材料提供了新的思路。

团队信息

通讯作者 张如范：清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Energy、SusMat、Exploration、Particuology及Carbon Neutralization青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文100多篇。申请发明专利15项；撰写学术专著6部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

课题组网站链接：http://www.rufanzhang-group.cn

网址：Nature Sustainability：清华张如范联合南大朱嘉团队研发出一种多场景适用的人体辐射制冷织物 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/542920

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