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日間光照下熱電產(chǎn)生示意圖
■本報(bào)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(duì),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(bào)》,“夏天或者白天人們需要散熱時(shí),就把白色層穿在外邊。冬天或者夜間需要保溫時(shí),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(shí)它會(huì)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(shí)則盡可能散射太陽光,同時(shí)高效地將人體熱輻射散到外界環(huán)境中。”李強(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(shí)驗(yàn)表明,陽光下,該材料在保溫模式時(shí)相比黑色棉布可使模擬皮膚多升溫14oF(約8℃)。散熱模式時(shí),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(shí),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。”李強(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(shí)驗(yàn),每次機(jī)洗1小時(shí),10次機(jī)洗后性能依然良好。”
因?yàn)樵摬牧霞庸ど婕按趴貫R射與噴涂等常規(guī)工藝,在日常清洗或保養(yǎng)時(shí),10次水洗后性能會(huì)有所衰減?!叭绻诒孛鎳娡恳粚邮杷畤婌F,就可以解決這個(gè)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(shí)驗(yàn)室加工過程中,從市場上購買相關(guān)材料的價(jià)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(jià)格肯定會(huì)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(dòng)“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(gè)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(gè)“附贈(zèng)”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(shí)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(huì)灼傷皮膚,所以利用這個(gè)溫差也有一定的局限性。另一個(gè)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(cuò),但實(shí)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(bào)》,“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(diǎn)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
《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-05-17 第3版 能源化工)