一篇贴心的Science：智能织物，冷暖自如！

邓顺柳

2019-02-12

第一作者：Xu A. Zhang、ShangjieYu、Beibei Xu

通讯作者：王育煌、欧阳敏

通讯单位：美国马里兰大学帕克分校

研究亮点：

发明了一种具有红外辐射“门控效应”的智能织物，可实现人体温度的自适应调控。

红外辐射与纺织品

人体与环境的热交换有超过40%是通过红外辐射进行的，然而，无论是我们的皮肤还是构成服装的纺织品，都不能依据环境的变化动态地控制这种红外辐射。

成果简介

有鉴于此，马里兰大学王育煌、欧阳敏团队及其合作者用涂有导电材料的特殊设计纤维制成纺织品，这种纺织品在不同的温度或湿度条件下显示出很好的红外辐射“门控”效应，使得人体通过纺织品有效地“打开”和“关闭”红外辐射以响应环境变化成为可能（图1）。

图1. 智能织物红外辐射“门控效应”示意图

要点1：织物具有红外辐射“门控效应”的原理

这种具有红外辐射“门控效应”智能织物的纺织纱线是由一束双组分纤维组成，其中一种是亲水性的，另一种是疏水性的（如三醋酸纤维和纤维素）（图2A和2Ｂ）。研究人员通过一种简单的“染色”技术，用少量导电材料（如碳纳米管）对双组分纤维进行涂层，由于相互竞争的疏水和亲水效应，这种双组分纤维在不同的湿度条件下能改变纤维间的间距，对环境变化做出响应。

图2. 具有红外辐射“门控效应”纺织品。（A）双组分纤维结构示意图；（B）纤维横截面TEM图；（C）0.5平方米智能织物实物图；（Ｄ），（E）不同湿度条件下智能织物的共聚焦荧光显微镜照片。

在人体皮肤流汗条件下（热/湿），纱线发生变形并紧密地结合在一起，这种变形改变了双组分纤维中碳纳米管之间的距离，影响了碳纳米管之间的电磁耦合，产生共振电磁耦合。这种耦合作用改变了纺织品的辐射率，使之更好地匹配人体的热辐射，有效地增强了人体和环境的热交换。此外，纱线的变形作用还提高了纺织品的孔隙率（图2D和2E），有利于人体和环境之间的对流和蒸发等传统的热交换，从而协同增强了智能织物的红外“门控效应”。

在冷和/或干条件下，纱线以相反的方式对环境做出响应，减少了人体的散热。这种机制使得人体通过纺织品有效地“打开”和“关闭”红外辐射“门”以响应环境变化成为可能。

要点2：织物红外辐射“门控效应”的表征

研究人员将三醋酸纤维-纤维素双组分纤维组成的纱线（meta yarn）编织到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物中，涂上少量碳纳米管溶液，使用湿度控制器，对织物在可控湿度条件下的红外辐射进行表征，并用高分辨红外相机直观地捕捉到了织物的红外辐射差异（图3A、图3B和图3C）：在室温条件下，当相对湿度从10%增加到75%时，与PET区域相比，meta yarn明显变亮，说明红外热辐射率提高。研究表明，这种红外辐射响应在较宽的相对湿度窗（5~90%）下有效，有效地覆盖了不同环境下皮肤的相对湿度范围。

图3. 智能织物在不同湿度条件下的红外辐射“门控效应”。（A）实验装置示意图；（B），（Ｃ）室温下10%和75%湿度条件下织物的红外辐射照片；（D），（E），（F）meta yarn和PET的红外响应图。

要点3：智能织物瞬时调控温度

研究人员指出，这种智能织物要么阻止红外线辐射，要么允许它通过，这种响应几乎是瞬间发生的，所以在人们意识到自己正在变热之前，这件衣服可能已经冷却了。

小结

由于红外辐射传热是人体与环境之间热交换的主要机制，利用这一红外辐射“门控效应”，可能导致具有热管理能力的可穿戴设备的突破，从而降低建筑供暖和制冷的能源成本，或提高人类在苛刻环境中生存的能力。

参考文献：

Zhang X A, Yu S, Xu B, et al.Dynamic gating of infrared radiation in a textile. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aau1217

http://science.sciencemag.org/content/363/6427/619