文章DOI: 10.1126/science.adl0653圖為作者吳榮輝（右），隋忱汐（左）在亞利桑那沙漠測試織物制冷效果的照片。城市熱島效應已經成為影響人體健康的重要問題，并且加劇了全球變暖的影響。這種現象會導致各種與高溫相關的疾病，如心血管疾病、呼吸道疾病、神經系統疾病和中暑等。城市中的建筑物和地面吸收的太陽熱量比自然景觀（如草地、樹木和水體）更多，并將熱量釋放到周圍環境，這是造成城市熱島效應的主要原因之一。這不僅會加劇熱浪，增加患病和死亡的風險，還會影響能源消耗、空氣質量和城市生態系統。目前，全球超過一半的人口居住在城市。預計到2050年，全球城市化水平將從2022年的57%增加到68%，這意味著未來會有更多人暴露在城市熱島效應中，面臨極端高溫帶來的風險。因此，采取措施應對城市熱島效應對現代社會至關重要。一種具有前景的方法是使用輻射冷卻紡織品來進行人體熱管理。這些紡織品通過向外太空發射熱量并反射太陽輻射已經展示了出色的被動輻射冷卻性能。然而，這些研究中通常沒有考慮到來自地面和城市結構的熱量增益。目前，輻射冷卻紡織品通常設計為在整個中 紅外區域（MIR）廣泛發射熱量，并假設它們有無障礙的天空視野。因此，它們的冷卻性能（包括冷卻功率和溫度降低）通常是針對水平使用情況設計的。然而，一個被服裝全部覆蓋的站立的人身上約97%的紡織品是垂直使用的，只有很小一部分（不到3%）是水平的，如帽子、肩部布料和鞋蓋。因此，在現實場景中，這些服裝的視野中有50%被地面遮擋，而在有建筑物和其他基礎設施的城市中，這一比例甚至更高。 這些城市設施在強烈的太陽輻射下，可以達到超過70℃的高溫，并發出大量熱量。例如，在亞利桑那州阿帕奇交界處的熱成像圖顯示，城市地表物體的溫度遠高于人體皮膚，從而成為人體的熱源。根據基爾霍夫定律，熱平衡時發射率等于吸收率。換句話說，寬帶發射紡織品的冷卻性能常常會被周圍環境的熱輻射大大削弱。為了在更現實的場景中實現高冷卻性能，應設計在大氣傳輸窗口（ATW）波長范圍8~13μm內具有主導發射的光譜選擇性發射紡織品，同時抑制所有非ATW的地面或建筑物的寄生熱。這一概念由Mandal等人提出用于建筑外墻，但在人體制冷中實現同樣的設計并不容易。人體制冷織物需要滿足可穿戴性、透氣性和柔韌性的嚴格要求，同時還需要進行復雜的光學工程設計以適應人體-紡織品微氣候的復雜性。鑒于此，芝加哥大學的徐伯均、吳榮輝和隋忱汐等人，設計了一種中紅外（MIR）光譜選擇性的分層紡織品（SSHF），具有2.23的高ATW光譜選擇性比和0.85的平均ATW發射率，可以在城市環境中提供顯著的冷卻效果。SSHF在ATW區域的高發射率使其能夠將熱量輻射到外太空，而在非ATW區域的高反射率（低吸收率）則盡量減少從周圍熱的地面或建筑物吸收的熱量。它由聚甲基戊烯（PMP）納米-微米混合纖維層、銀納米線（AgNWs）和羊毛織物組成。表面的PMP纖維在靜電紡絲過程中由于溶劑的逐步揮發，具有寬范圍的直徑分布，從而實現了覆蓋整個太陽光譜的寬帶散射效率。PMP僅含有C-C（954-1004 cm-1）、-CH2（1176-1241 cm-1）、-CH（862-881 cm-1）和-CH3（931 cm-1）鍵，因此在ATW范圍內表現出高吸收率，是一種很有潛力的選擇性發射體。中間的AgNW層在整個MIR區域具有高反射率，防止城市基礎設施的紅外線傳遞到人體。底部的羊毛織物是寬帶發射體，通過紡織品和皮膚之間的空氣間隙吸收人體皮膚的熱輻射，并通過AgNW層進一步將熱量傳導到頂部的PMP織物。 圖一：光譜選擇性紡織品在垂直方向紡織品中的輻射冷卻概念及其優勢。SSHFF的多孔結構提供了良好的透氣性，促進了汗液的自然擴散和對流進行冷卻。與棉和羊毛織物相比，其PMP織物具有更高的水汽透過率。SSHF在拉伸測試中表現出強大而耐用的機械性能，且經過重復拉伸后依然保持優異的性能。頂部PMP織物的疏水性賦予其自潔性，確保長時間的使用不受影響。此外，SSHF具有出色的耐洗性和抗汗水性，佩戴4天后仍然舒適。經過加速耐久性測試，SSHFF的性能保持穩定，且對紫外線老化的抵抗力也很高。這些杰出的特性表明，SSHFF具有良好的耐用性和可穿戴性。 圖四：輻射制冷織物和各種常見紡織樣品的戶外熱測量。我們在亞利桑那州阿帕奇交界和伊利諾伊州芝加哥展示了SSHF的戶外輻射冷卻性能，通過直接的熱測量來進行驗證。為確保準確和均勻的測量，我們使用熱敏電阻貼在銅板上，實時監測紡織品的溫度，并使用聚苯乙烯泡沫進行熱隔離。為了減少陽光吸收，我們用鋁箔和銀鏡膜完全遮擋了整個裝置，除了樣品區域。我們對垂直和水平樣品測量了溫度，對于水平測試，我們將裝置向西傾斜15°。在亞帕奇交界，SSHF在晴朗天空下始終表現出比環境溫度更低的溫度，甚至在夜間，其平均低于環境溫度12.6℃。即使在白天，當受到1010W/m2的太陽強度照射時，SSHF仍然保持了6.2℃的大溫度降。在芝加哥，即使在高相對濕度（約70%）的情況下，SSHF的白天溫度降仍然達到了2.5℃。通過與商業化紡織品的比較，我們發現SSHF的溫度較低，這歸因于其能夠將熱量釋放到外太空，同時選擇性地阻擋來自地面的熱輻射。在模擬熱地面條件下的白天和夜間測量中，SSHF表現出比太陽反射的寬帶發射器低2.3℃ 和0.2℃。此外，SSHF在仿真人體代謝熱條件下仍然表現出優越的冷卻性能。在志愿者身上進行的實際佩戴測試中，SSHF比棉織品的溫度低了約1.8℃，進一步驗證了其在城市環境中的佩戴冷卻效果。 圖五：在不同城市場景下，比較SSHF、寬帶和理想選擇性發射器的制冷功率。我們開發了一種光譜工程層次結構紡織品，具有在大氣窗口（ATW）內向外表面選擇性發射的特性，并在內表面具有寬帶發射特性。在ATW區域的高發射率使SSHF的表面能夠將熱量輻射到外太空，而在非ATW區域的高反射率（低吸收率）則最大限度地減少了來自周圍熱地面或建筑物的熱量吸收。同時，紡織品內表面的高寬帶發射率使其能夠吸收人體輻射的代謝熱，并將熱量傳導到外表面層進行選擇性發射。由于納米-微米混合纖維結構的強Mie散射，SSHF還具有0.97的高太陽光譜反射率。在戶外熱測量中，SSHF在1010 W/m2的峰值太陽強度下，溫度顯著下降了約6.2°C。此外，在模擬城市環境中，SSHF在白天和夜間分別比具有太陽反射功能的寬帶發射器低2.3°C和0.2°C。SSHF還具有出色的透氣性、可洗性、耐久性、強機械性能和抗紫外老化性能。通過對人體與環境之間熱傳導的綜合分析，這種針對垂直方向紡織品的選擇性光譜設計，為應對城市熱島效應提供了一種創新且有效的被動個人冷卻解決方案，不僅有助于減少空調能耗，還能預防與熱相關的健康問題。
作者簡介
徐伯均博士, 芝加哥大學普利茲克分子工程學院的助理教授。徐教授在國立清華大學獲得學士學位，在斯坦福大學獲得材料科學與工程博士學位，并在斯坦福大學機械工程系擔任博士后研究員。在加入芝加哥大學分子工程學院之前，他于2019年至2022年擔任杜克大學機械工程與材料科學系助理教授。他獲得了NSF CAREER獎（2022年）、Ralph E. Powe初級教師提升獎（2021年）、MIT科技評論中國35歲以下創新者獎（2020年）和索尼教師創新獎（2019年）。他的博士論文項目“冷卻紡織品”被《科學美國人》評為世界十大改變世界的創意之一。目前，他擔任《Nano Letters》早期職業顧問委員會主席和《EcoMat》早期職業顧問委員會成員。吳榮輝，現為芝加哥大學博士后研究員。博士畢業于東華大學。主要從事功能及智能纖維材料，輻射制冷智能紡織品，介觀摻雜蠶絲蛋白質及其電子材料，微流體技術的研究和開發，以及可穿戴纖維傳感器、自供電生理信號檢測器件、織物基能量轉換和能量儲存器件的開發和應用。已在Science, Nature Chemical Engineering, Advanced materials, EcoMat等國內外知名期刊上發表論文，H因子22，授權專利13項，已成功轉讓5項。擔任國產高起點期刊InfoMat, Nano Research Energy青年編委。隋忱汐，現為芝加哥大學的五年級博士生（導師為徐伯均教授）。本科畢業于武漢大學物理系，2018年期間赴加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）機械工程系擔任研究助理（導師為廖浡霖教授）。主要研究領域包括傳熱學、光子學，電化學和人工智能的實驗和計算研究，及其在能源和可持續性方面的應用。已經在Science、Nature Sustainability、Nature Communication、Science Advances、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters等期刊發表論文。曾獲得美國材料研究協會（MRS）研究生獎（2023年）、國家優秀自費留學生獎學金（2023年）和納米能源研究學術新星金獎（2023年）。
