近日，《科學》雜志在線發(fā)表了武漢光電國家研究中心陶光明研究小組和浙江大學光電科學與工程學院馬耀光研究小組合作的題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究論文。此研究突破性地研發(fā)了一種具有形態(tài)分級結(jié)構(gòu)(Hierarchical-morphology structure)、可大批量制備的光學超材料織物(Metafabric)，具有優(yōu)異的日間輻射制冷能力，對實現(xiàn)高效的戶外個人熱管理具有重要意義。

輻射制冷技術(shù)旨在通過光譜調(diào)控，使地表物體在8-13 μm的大氣透明窗口（Atmospheric Transparent Spectral Window, ATSW）將熱量高效輻射到溫度接近絕對零度的外太空中，從而實現(xiàn)零能耗的無源制冷。近年來，隨著光學隨機結(jié)構(gòu)超材料的發(fā)展，基于選擇性光譜調(diào)控技術(shù)的輻射制冷織物在個人熱管理領(lǐng)域逐漸受到重視。但由于目前的研究難以實現(xiàn)涵蓋紫外、可見、紅外的寬光譜調(diào)控，故實現(xiàn)人體在戶外陽光直射的炎熱環(huán)境下的有效降溫仍舊面臨挑戰(zhàn)。

陶光明團隊和馬耀光團隊在輻射制冷織物研究領(lǐng)域取得重要進展，提出了一種形態(tài)分級結(jié)構(gòu)的光學隨機超材料織物（Metafabric），其根據(jù)織物空間結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)以及纖維內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)進行分級，不同的級次分別響應不同波段，優(yōu)化了光譜響應的效率，同時有效避免了不同波段光譜的串擾，從而實現(xiàn)了對整個0.3 -25 μm波段范圍的高效的光譜調(diào)控。研究團隊將光學超材料技術(shù)與批量纖維制備技術(shù)相結(jié)合，選用綠色環(huán)保、生物可降解的聚乳酸為纖維原料，引入特定波段光學新特性，獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維。在此基礎(chǔ)上，進一步利用成熟紡紗織造和層壓技術(shù)，制備的Metafabric在太陽輻射波段（0.3-2.5 μm）具有92.4%反射率，在中紅外大氣窗口波段（8-13 μm）具有94.5%發(fā)射率。Metafabric可實現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度的日夜輻射制冷；在正午時段的模擬人體皮膚測試中（廣州，2020年11月28日），相較于同色的商用織物（棉、氨綸、雪紡、麻），Metafabric下的模擬皮膚溫度可低5-7 °C。在對汽車模型的降溫測試中（廣州，2020年12月7日），覆蓋Metafabric的模型內(nèi)部溫度相較于市售車罩可降溫~27 °C，相較于無織物覆蓋的模型可降溫~30 °C。此外，Metafabric對暴露于陽光的實際人體也具有顯著的降溫效果（廣州，2020年12月7日），相較于白色棉織物，其對人體體表降溫超過4 °C。同時，該織物具有優(yōu)異的可穿戴性，并與整個紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應用。

圖Metafabric與棉對人體體表降溫對比測試。(a)人體體表降溫測試照片；(b)人體體表降溫對比測試紅外圖（左邊為棉，右邊為Metafabric）

本研究論文的第一作者是武漢光電國家研究中心碩士生曾少寧、浙江大學光電科學與工程學院博士生片思杰。陶光明和馬耀光為共同通訊作者。該項目合作單位還包括山東賽動新能源科技有限公司、武漢紡織大學、青島大學、中國紡織科學研究院有限公司，該研究工作得到了國家自然科學基金委員會的經(jīng)費支持。

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