2021年5月22日是中(zhōng)國馬拉松史上最黑暗的一(yī)天，在這場甘肅省馬拉松百公裏越野賽中(zhōng)，選手們在賽程中(zhōng)遭遇了極端天氣，強風凍雨和冰雹奪走了21條鮮活的生(shēng)命。這起事故中(zhōng)，主辦方和選手們對極端嚴寒天氣并沒有做好準備，大(dà)多數選手沒有準備禦寒衣物(wù)，因此在寒風凍雨中(zhōng)出現失溫，導緻死亡。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。那麽，在材料領域是否有能夠對抗失溫的保溫材料的研究呢，材料科學家們能否研究出不畏酷暑嚴寒的材料呢。
其實，人體(tǐ)熱管理（Personal thermal management）是一(yī)個越來越受到研究者關注的領域，通過在Web of science上搜索可以發現自2012年以來，雖然關于Personal thermal management 的發文量總體(tǐ)不多，但是發文量一(yī)直處于快速上升狀态。并且，随着智能織物(wù)的蓬勃發展，能夠實現人體(tǐ)熱管理的智能織物(wù)材料将會成爲未來材料研究的熱點。下(xià)面我(wǒ)們給大(dà)家介紹發表于頂刊上的關于人體(tǐ)熱管理的一(yī)些經典研究工(gōng)作。
近十年（2012-2022）人體(tǐ)熱管理研究發文數
1. 斯坦福大(dà)學崔屹Nano Lett.: 金屬納米線塗層紡織物(wù)用于個人熱管理
人類日常供暖會消耗大(dà)量能源，也因此成爲溫室氣體(tǐ)排放(fàng)的主要來源。盡管節能建築在改進隔熱和設計的基礎上發展迅速，但仍有很大(dà)一(yī)部分(fēn)能源浪費(fèi)在加熱空曠空間和非人類物(wù)體(tǐ)上。有鑒于此，斯坦福大(dà)學崔屹教授等人在此文中(zhōng)提出利用個人熱管理可以大(dà)量減少能量消耗。作者認爲使用新型材料組裝可穿戴個人熱管理器件可以在個體(tǐ)中(zhōng)實現供熱或隔熱過程，從而盡量減少人體(tǐ)熱量的耗散和對環境供熱的需求。此文中(zhōng)，作者展示了一(yī)種金屬納米線嵌入的布料織物(wù)作爲個人熱管理系統，可以有效減少能源浪費(fèi)。研究結果表明，采用金屬納米線形成一(yī)個導電(diàn)網絡，不僅可以反射人體(tǐ)紅外(wài)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(wài)，金屬納米線的多孔結構并沒有犧牲布料織物(wù)的透氣性和耐用性。與傳統的室内取暖器相比，這種金屬納米線嵌入的布料織物(wù)可以有效地提高體(tǐ)溫，并節約數百瓦每人的能量。
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(dà)學崔屹Science: 納米多孔聚乙烯織物(wù)助力輻射人體(tǐ)降溫
通過對個人的加熱和冷卻來進行熱管理是一(yī)種擴大(dà)室内溫度設定值範圍以節省大(dà)量能源的策略。2016年，斯坦福大(dà)學崔屹教授等人于Science上報道了一(yī)種納米聚乙烯 （nanoPE）材料，由于其孔徑分(fēn)布爲50 到 1000 納米， nanoPE材料對中(zhōng)紅外(wài)人體(tǐ)輻射是透明的，但對可見光不透明。通過對nanoPE進一(yī)步加工(gōng)，将nanoPE表面改性爲親水性，并将聚多巴胺（PDA）包覆在nanoPE上，作者開(kāi)發出一(yī)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耐磨性的織物(wù)。 同時，作者開(kāi)發了一(yī)種模拟皮膚溫度的裝置，發現與用棉布覆蓋時相比，用nanoPE布和加工(gōng)過的nanoPE布覆蓋時的溫度分(fēn)别低 2.7 °C 和 2.0 °C。該結果表明加工(gōng)過的納米聚乙烯是一(yī)種用于人體(tǐ)熱管理的有效且可擴展的織物(wù)。
Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science, 353, 1019-1023 (2016). DOI: 10.1126/science.aaf5471
3. 斯坦福大(dà)學崔屹Nat. Commun.: 保溫利器-納米多孔金屬化聚乙烯織物(wù)
空間供暖是建築物(wù)最大(dà)的能源終端使用，給社會帶來了沉重的負擔。通過被動加熱人體(tǐ)周圍的直接環境，可以節省爲整個建築物(wù)空間加熱而浪費(fèi)的能源。本文中(zhōng)，斯坦福大(dà)學崔屹教授等人報道了一(yī)種具有定制紅外(wài)（IR）特性的納米光子結構織物(wù)，該織物(wù)使用納米多孔金屬化聚乙烯進行被動人體(tǐ)加熱，指出了未來利用金屬化聚乙烯制造具有優越保溫性服飾的可能。作者首先構建了一(yī)維穩态熱傳遞模型，發現了寒冷環境中(zhōng)衣物(wù)紅外(wài)性能和外(wài)界溫度的關系，結果表明織物(wù)外(wài)表面的紅外(wài)輻射率對衣物(wù)的保溫性能有重要影響，而織物(wù)内表面的紅外(wài)輻射率對保溫性能幾乎沒有影響。随後，通過在具有嵌入納米孔的IR透明層上構造IR反射層，納米多孔金屬化聚乙烯紡織品在外(wài)表面上具有最小(xiǎo)的IR發射率（10.1%），可以有效地抑制散熱損失，同時又(yòu)不降低穿着舒适度。與普通紡織品相比，這可将環境溫度設定值降低7.1 °C，大(dà)大(dà)優于其他輻射加熱紡織品。這種大(dà)的溫度設定點擴展可以以具有成本效益的方式節省超過 35% 的建築供暖能源，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(dà)學崔屹 Adv. Mater.: 正穿保暖，反穿降溫-用于人體(tǐ)輻射加熱和冷卻的織物(wù)
維持人體(tǐ)溫度是生(shēng)活最基本的需求之一(yī)，而維持環境溫度恒定往往需要消耗大(dà)量的能量。爲了在保持人體(tǐ)熱舒适的同時，擴大(dà)環境溫度範圍，個人熱管理的概念最近在通過人體(tǐ)紅外(wài)輻射控制分(fēn)别在保溫和降溫織物(wù)中(zhōng)得到了證明。在同一(yī)種紡織品中(zhōng)實現這兩種相反的功能将是一(yī)項激動人心的科學挑戰和重大(dà)的技術進步。在Science和Nat. Commun. 分(fēn)别發表關于降溫和保溫織物(wù)的文章後，斯坦福大(dà)學崔屹教授等人在Sci. Adv. 展示了一(yī)種雙模式織物(wù)，隻需幾十微米的薄薄一(yī)層，就可以在沒有任何能量輸入的情況下(xià)使用同一(yī)塊織物(wù)執行被動輻射加熱和冷卻。這種雙模織物(wù)由嵌入紅外(wài)透明納米多孔聚乙烯 （nanoPE）層内的雙層發射器組成。實驗結果表明，發射率和納米 PE 厚度的不對稱特性可以導緻兩種不同的傳熱系數，并在低發射率層朝外(wài)時實現加熱，當高發射率層朝外(wài)時通過将織物(wù)由内而外(wài)穿來冷卻。簡單地說，就是正面穿時，可以最大(dà)限度減少人體(tǐ)對外(wài)的熱輻射，實現體(tǐ)表保溫；反面穿，最大(dà)限度增加人體(tǐ)對外(wài)輻射，可以幫助人體(tǐ)散熱，實現正穿保暖，反穿降溫。這項發明的數值拟合進一(yī)步預測了雙模織物(wù)可以使得人體(tǐ)溫度舒适區擴大(dà)14.7 ℃，從而有望顯著降低大(dà)量的建築物(wù)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後就完成了從“上書(shū)架”到“上貨架”的過程，實現了實際應用。2020年10月，崔屹教授旗下(xià)的EEnotech公司推出了使用雙模輻射織物(wù)的第一(yī)代限量版保溫夾克，該夾克厚度僅爲0.5 mm（最薄可達0.3 mm)、可在10 °C的環境中(zhōng)爲人們提供舒适感，具有超輕、防風防雨、兩級保暖等特征。其中(zhōng)，銀色面外(wài)穿保暖，冷黑色面外(wài)穿降溫。（P.S. 目前這款通用夾克在EEnotech官網有售哦）
5. 維克森(sēn)林大(dà)學David Carroll &東華大(dà)學王宏志(zhì)Small封面: 用于個人熱管理的超薄、可水洗和大(dà)面積石墨烯紙(zhǐ)
開(kāi)發新型個人熱管理材料，實現服裝調溫功能的雙向性是幫助人體(tǐ)對抗極端惡劣、複雜(zá)多變的環境下(xià)的體(tǐ)溫驟變的有效方法，但目前仍然是一(yī)個挑戰。此文中(zhōng)，東華大(dà)學王宏志(zhì)教授與美國維克森(sēn)林大(dà)學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(zhǐ)。作者采用高通量的刮塗法和基于維C的熱液還原制備了力學性能優異的超薄結構石墨烯紙(zhǐ)（1~8 μm），并應用于服裝上。研究結果表明，在嚴寒環境下(xià)，石墨烯紙(zhǐ)優異的導電(diàn)性賦予其卓越的焦耳加熱特性，使其能夠在3.2V的低電(diàn)壓下(xià)實現快速升溫，提供 42 °C 的額外(wài)溫暖。此外(wài)，在炎熱環境下(xià)，基于石墨烯紙(zhǐ)的高面外(wài)導熱性，它能在7秒内将服裝内環境的熱量快速導向外(wài)環境，實現被動冷卻，幫助人體(tǐ)體(tǐ)表環境降溫。 石墨烯紙(zhǐ)的冷卻效果優于普通棉纖維，而且随着厚度差的增加，這種優勢會更加突出。目前制備的雙功能石墨烯紙(zhǐ)具有抗彎曲循環超過 500 次和洗滌時間超過 1500 分(fēn)鍾的高耐久性，表明其在可穿戴 PTM 中(zhōng)的巨大(dà)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(dà)學柏浩Adv. Mater.: 一(yī)種受北(běi)極熊毛啓發的隔熱紡織物(wù)
生(shēng)活在極冷環境中(zhōng)的動物(wù)例如北(běi)極熊，得益于其空心毛發，已表現出非凡的保暖能力。在合成纖維中(zhōng)模仿這種策略将激活智能織物(wù)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将發揮重要作用。有鑒于此，浙江大(dà)學的柏浩教授等人在此文中(zhōng)，使用“冷凍紡絲”技術實現了具有對齊多孔結構的纖維的連續和大(dà)規模制造，用以模仿北(běi)極熊的毛發，這是其他方法難以實現的。研究結果表明，用這種仿生(shēng)纖維織成的紡織品具有優良的隔熱性能以及良好的透氣性和耐磨性。除了被動隔離(lí)熱損失外(wài)，當摻入碳納米管等電(diàn)加熱材料時，該紡織品還可以用作可穿戴加熱器，以誘導快速熱響應和均勻電(diàn)加熱，同時保持其柔軟和多孔的特性，從而擁有良好的穿着舒适性。
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(dà)學聖地亞哥分(fēn)校陳仁坤&徐升Sci. Adv.: 用于個性化溫度調節的可穿戴熱電(diàn)設備
體(tǐ)溫調節對能量消耗以及人類舒适和健康具有重要的影響。然而，一(yī)個多世紀以來，冷卻技術基本保持不變，而且無論居住人數的多少，仍然依賴于對整個空間進行制冷。熱電(diàn)裝置（TED）的個性化溫度調節可以顯着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的高冷卻性能的柔性TED，目前還沒有實現。本文中(zhōng)，加州大(dà)學聖地亞哥分(fēn)校陳仁坤&徐升等研究者展示了一(yī)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(COP > 1.5)。由于在雙彈性體(tǐ)之間加入剛性無機高熱電(diàn)優值（ZT）的熱電(diàn)（TE）柱，以及空氣絕緣絕熱層的新穎設計，該TED是第一(yī)個實現長期高柔性主動冷卻的産品。此外(wài)，該TED在沒有使用其他散熱器的情況下(xià)，可以達到10 ℃以上的降溫效果。該研究還将TED集成到了一(yī)件可穿戴的衣服中(zhōng)，展示了其對人體(tǐ)皮膚的長期、節能的降溫和加熱效果，研究結果表明：當環境溫度在22 ℃到36 ℃之間變化，該衣物(wù)可保持人體(tǐ)皮膚在32 ℃的舒适溫度。與傳統的集中(zhōng)空間冷卻方式相比，TED自動化的冷卻能力爲個性化冷卻提供了巨大(dà)的節能潛力，從而在提高人體(tǐ)舒适度的同時大(dà)大(dà)降低能源消耗。
Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation. Sci. Adv. 5, eaaw0536 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw0536.
8. 中(zhōng)科大(dà)俞書(shū)宏院士Chem: 仿生(shēng)碳管氣凝膠實現超彈性和隔熱
北(běi)極熊中(zhōng)空、輕質且不可潤濕的毛發有助于其抵禦極端寒冷的環境。受北(běi)極熊毛發微觀結構的啓發，中(zhōng)科大(dà)俞書(shū)宏院士團隊采用一(yī)維納米線作爲模闆，通過模闆法制備宏觀尺度的具有超彈性和出色隔熱性能的輕質碳管氣凝膠（CTA），這種材料具有了北(běi)極熊毛發的所有優點，包括輕質、防水和隔熱性。這種由中(zhōng)空碳纖維管組成的CTA重量輕，最低密度僅爲8 kg/m3，并且具有146 °接觸角的優異防水性能。同時，CTA 的最低熱導率僅爲 23 mW·m-1·K-1，優于幹燥空氣。值得注意的是，仿生(shēng) CTA 材料顯示出比北(běi)極熊毛更好的超彈性和抗疲勞性，優化後的氣凝膠可以在 30% 應變下(xià)超過 100 萬次壓縮-釋放(fàng)循環和 90% 應變下(xià)超過 10,000 次循環後保持結構完整性。通過标準鋼球下(xià)落測試，其回彈速度達1,434 mm/s，進一(yī)步證實了其超彈性。這種碳管氣凝膠宏觀合成的仿生(shēng)設計爲未來設計高性能輕質、超彈性和隔熱材料打開(kāi)了一(yī)扇窗，可廣泛應用于仿生(shēng)工(gōng)程材料領域，如建築、 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(tǐ)熱管理的新型材料研發已經走上了快車(chē)道，越來越多的高性能材料和精妙的設計爲未來智能人體(tǐ)熱管理織物(wù)的發展提供了強大(dà)的動力，并且将爲能源節約貢獻力量。當然，人體(tǐ)熱管理材料的實際應用過程中(zhōng)還存在諸多問題，但是我(wǒ)們也能欣慰地看見這些問題真正被解決，一(yī)部分(fēn)優良的成果也已投入生(shēng)産，未來仍可期。
文章轉載自微信公衆号：材料人