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日間光照下熱電產(chǎn)生示意圖

■本報記者 張雙虎

如果有一件衣服，正穿溫暖，反穿涼爽，還可全天發(fā)電給耳機(jī)充電。你是否現(xiàn)在就想來一件？

日前，浙江大學(xué)光電學(xué)院教授李強(qiáng)與西湖大學(xué)工學(xué)院教授仇旻聯(lián)合團(tuán)隊，研發(fā)的一款微納熱管理材料，就可以制成這種神奇的衣服—— 一面加熱，一面冷卻。這種材料還有望用于建筑物熱管理，為節(jié)能減排開拓新思路。

近日，相關(guān)研究發(fā)表在《納米通訊》雜志上。

正穿溫暖，反穿涼爽

“這種材料有兩層，上層為白色，用于散熱。下層為灰黑色，能夠保溫?！崩顝?qiáng)告訴《中國科學(xué)報》，“夏天或者白天人們需要散熱時，就把白色層穿在外邊。冬天或者夜間需要保溫時，就把衣服反過來，黑色層穿在外邊?！?/p>

這種雙層材料中間是帶有納米孔的鋁，鋁的一側(cè)是兩種有機(jī)材料：ePTFE（戶外衣服常用材料）和 PMMA。其中，多孔 PMMA 涂層涂覆在 ePTFE 上，可以增強(qiáng)輻射散熱，還能高效散射太陽輻射能量。鋁的另一側(cè)則采用納孔聚乙烯上沉積鋅、銅納米顆粒的方法，用于抑制輻射散熱，并高效吸收太陽輻射能量。

“也就是說，保溫時它會盡可能地吸收太陽的熱量，并將人體熱輻射反射回皮膚。散熱時則盡可能散射太陽光，同時高效地將人體熱輻射散到外界環(huán)境中?！崩顝?qiáng)介紹說，“織物材料整體厚度只有約 0.3毫米，比普通的 T 恤（約 0.5毫米）還要薄?！?/p>

為測試這種微納材料的性能，研究人員將其與黑、白兩種顏色的棉布放在陽光下對比，并記錄模擬皮膚的溫度變化。

“實驗表明，陽光下，該材料在保溫模式時相比黑色棉布可使模擬皮膚多升溫14oF（約8℃）。散熱模式時，比白色棉布讓模擬皮膚降溫11oF（約6℃）；在晴朗的夜晚，保溫模式時，模擬皮膚溫度比白色棉布提高了5oF（約 3℃）?！痹撜撐墓餐谝蛔髡吡_皓說，“通過兩種模式的切換，模擬皮膚能保持在舒適的溫度范圍。”

該材料的織物表面廣泛分布著微納孔結(jié)構(gòu)，其孔隙遠(yuǎn)大于水汽分子的直徑，因而可以保證水汽在織物內(nèi)部暢通無阻。透水汽性能測試發(fā)現(xiàn)，這種織物的水汽透過率和棉布基本相同，因此，能讓人們的皮膚觸感接近正常衣服。

“這種材料可以直接使用常規(guī)的工具（包括剪刀）進(jìn)行裁剪加工?！崩顝?qiáng)說，“制成的衣服在日常清潔方面可以采用清水洗滌方式。我們做過10次水洗實驗，每次機(jī)洗1小時，10次機(jī)洗后性能依然良好?！?/p>

因為該材料加工涉及磁控濺射與噴涂等常規(guī)工藝，在日常清洗或保養(yǎng)時，10次水洗后性能會有所衰減?！叭绻诒孛鎳娡恳粚邮杷畤婌F，就可以解決這個問題（保養(yǎng)護(hù)理過程中多次水洗）?！崩顝?qiáng)說。

而在成本方面，研究人員在實驗室加工過程中，從市場上購買相關(guān)材料的價格是每平方米40元左右?！捌渲衑PTFE20元，而且這部分成本可以進(jìn)一步降低。另外20元主要為PMMA成本，大批量采購價格肯定會更低。”李強(qiáng)說，“此外，PMMA層并非必需，它的主要作用是進(jìn)一步增強(qiáng)散熱性能?！?/p>

化身移動“充電寶”

值得一提的是，利用微納材料做成的衣服，皮膚和衣服間能產(chǎn)生“溫差”，如果把熱電材料放在兩個有溫差的物體中間，就能將熱能轉(zhuǎn)化成電能。這自然讓科學(xué)家想到它的另一個“附贈”應(yīng)用——發(fā)電。

研究發(fā)現(xiàn)，按照當(dāng)前熱電材料產(chǎn)生電能的效率，中午在保溫模式下，這種微納材料覆蓋的熱電模塊可產(chǎn)生69毫瓦/平方米的電能。夜間在散熱模式下也能產(chǎn)生約24毫瓦/平方米的電能。

“人體表面約1.6平方米，正午最大能產(chǎn)生110毫瓦的功率。我們平時使用的耳機(jī)功率約十幾毫瓦，所以它完全可以給耳機(jī)充電?！崩顝?qiáng)說，“智能手機(jī)的功率約5瓦，因此目前還不能為手機(jī)充電?！?/p>

李強(qiáng)解釋說，衣服和皮膚的溫度差肯定不能太大，否則會灼傷皮膚，所以利用這個溫差也有一定的局限性。另一個能夠提升發(fā)電功率的因素是熱電模塊的溫度電壓系數(shù)，“但這是熱電材料的問題，還需要進(jìn)一步提高材料科技水平”。

研究人員希望，隨著相關(guān)技術(shù)的逐步提高，這種功能可用來為人們的可穿戴電子設(shè)備供電。

微納熱管理或有大應(yīng)用

熱輻射是熱量傳遞的3種方式之一。熱輻射在熱管理、能源利用、紅外隱身及紅外檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著微納光子學(xué)發(fā)展，法布里—珀羅光學(xué)腔、光柵、光子晶體以及超表面等微納結(jié)構(gòu)研究愈發(fā)成熟，人們將這些結(jié)構(gòu)應(yīng)用到熱輻射中，為熱輻射的光譜和空間調(diào)控提供了基礎(chǔ)，使通過熱輻射途徑調(diào)控人體和外界熱交換成為可能。

除用于制衣外，這種微納結(jié)構(gòu)材料還可用于建筑物的熱管理等。

“我們通常認(rèn)為出汗越多，排出的熱量就越多。這當(dāng)然沒錯，但實際上人體絕大多數(shù)熱量是通過光波輻射出去的?！背饡F告訴《中國科學(xué)報》，“人體65%的能量通過熱輻射散發(fā)出去，所以如果要保溫，最好的辦法是降低熱輻射，如果要散熱最好的辦法是增強(qiáng)熱輻射。雖然后者有點難，但保溫是可以做到的?！?/p>

仇旻解釋說，人們可以通過納米結(jié)構(gòu)改變材料的輻射效果，目前用微納結(jié)構(gòu)改變熱輻射已經(jīng)有了一些應(yīng)用，比如進(jìn)行熱輻射管理等。如果在物體表面覆蓋一層微納薄膜，可以改變它的熱輻射，使其表面溫度降下來?！氨热?，在夏天，如果我們在屋頂覆蓋這樣的材料，能讓室內(nèi)溫度降低4至5℃?！?/p>

隨著微納結(jié)構(gòu)熱輻射調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，人們在熱管理和能源利用方面或?qū)碛懈嗟淖杂伞?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00400