受人体皮肤启发的辐射制冷织物

来源 | ACS Photonics

原文 | https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241

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背景介绍

日间辐射制冷（PDRC）技术是一种环境友好型的零能耗被动式制冷技术，能够有效减少当前人类用于制冷的能源消耗，从而缓解能源与环境危机，具有广阔的应用前景。PDRC的主要技术指标是实现超高的太阳光谱反射率和超高的大气窗口发射率，同时在某些特殊的应用场景中（如服装、帐篷等），需要考虑透气性、防水性、柔韧性、强度和耐久性等性能。而目前的辐射制冷织物虽然能够满足实际应用中的防水透气需求，但光学特性相对较差。因此，打破超高双波段光学特性与多种应用需求之间的兼容壁垒是PDRC面临的一大挑战。

人体皮肤(表皮和真皮层)是一个近乎完美的红外发射器件，得益于以下三种生物组织结构：表皮层的褶皱微结构，真皮层含有的三维交错排列的胶原纤维及表皮层和真皮层中都存在的微米孔。人体皮肤的大气窗口红外发射率可达97%，是医学热成像中红外发射率的最高记录。除了散热功能外，人体皮肤的表皮层还能保护人体免受紫外线的伤害。此外，人类皮肤在透气性、防水性和柔韧性方面具有优异的表现。

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成果掠影

近期，哈尔滨工业大学教师程子明及博士生张鑫平，针对目前辐射制冷技术在追求双波段(太阳波段和大气窗口波段)光学特性和兼容多种应用功能需求之间的权衡与挑战，受人体皮肤表皮层和真皮层结构的高效光学性能和防水透气性能启发，成功设计并制备出一种具有超高光学特性且兼具良好透气性耐久性和柔韧性的高效仿生辐射制冷织物。通过引入光子板状孔效应，实现了比Mie共振更强的后向散射。通过简单且可规模化的浸染工艺，制备出了具有97%太阳光反射率和97%大气窗口发射率的仿生辐射制冷织物。户外测试表明，该制冷织物温度明显低于市面上无纺布、涤纶、亚麻布等白色布料，该织物在日间实现平均低于环境温度5.2°C的温降；穿戴使用该制冷织物制成的帽子，人体头顶部温度可比戴白色棉帽温度低5.0°C；该制冷织物可广泛应用到户外帐篷、车衣等领域。相关研究结果以“Scalable bio-skin inspired radiative cooling metafabric for breaking trade-off between optical properties and application requirements”为题发表于《ACS Photonics》。

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图文导读

图1 受人体皮肤启发的仿生辐射制冷织物的理论设计。

图2 仿生辐射制冷织物的制备与表征。

图3 仿生辐射制冷织物的户外降温测试。

图4 仿生辐射制冷织物的潜在应用场景。

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