第一作者：Xu A. Zhang、ShangjieYu、Beibei Xu
通訊作者：王育煌、歐陽敏
通訊單位：美國馬里蘭大學帕克分校
研究亮點：
發明了一種具有紅外輻射“門控效應”的智能織物，可實現人體溫度的自適應調控。
紅外輻射與紡織品
人體與環境的熱交換有超過40%是通過紅外輻射進行的，然而，無論是我們的皮膚還是構成服裝的紡織品，都不能依據環境的變化動態地控制這種紅外輻射。
成果簡介
有鑒于此，馬里蘭大學王育煌、歐陽敏團隊及其合作者用涂有導電材料的特殊設計纖維制成紡織品，這種紡織品在不同的溫度或濕度條件下顯示出很好的紅外輻射“門控”效應，使得人體通過紡織品有效地“打開”和“關閉”紅外輻射以響應環境變化成為可能（圖1）。
圖1. 智能織物紅外輻射“門控效應”示意圖
要點1：織物具有紅外輻射“門控效應”的原理
這種具有紅外輻射“門控效應”智能織物的紡織紗線是由一束雙組分纖維組成，其中一種是親水性的，另一種是疏水性的（如三醋酸纖維和纖維素）（圖2A和2Ｂ）。研究人員通過一種簡單的“染色”技術，用少量導電材料（如碳納米管）對雙組分纖維進行涂層，由于相互競爭的疏水和親水效應，這種雙組分纖維在不同的濕度條件下能改變纖維間的間距，對環境變化做出響應。
圖2. 具有紅外輻射“門控效應”紡織品。（A）雙組分纖維結構示意圖；（B）纖維橫截面TEM圖；（C）0.5平方米智能織物實物圖；（Ｄ），（E）不同濕度條件下智能織物的共聚焦熒光顯微鏡照片。
在人體皮膚流汗條件下（熱/濕），紗線發生變形并緊密地結合在一起，這種變形改變了雙組分纖維中碳納米管之間的距離，影響了碳納米管之間的電磁耦合，產生共振電磁耦合。這種耦合作用改變了紡織品的輻射率，使之更好地匹配人體的熱輻射，有效地增強了人體和環境的熱交換。此外，紗線的變形作用還提高了紡織品的孔隙率（圖2D和2E），有利于人體和環境之間的對流和蒸發等傳統的熱交換，從而協同增強了智能織物的紅外“門控效應”。
在冷和/或干條件下，紗線以相反的方式對環境做出響應，減少了人體的散熱。這種機制使得人體通過紡織品有效地“打開”和“關閉”紅外輻射“門”以響應環境變化成為可能。
要點2：織物紅外輻射“門控效應”的表征
研究人員將三醋酸纖維-纖維素雙組分纖維組成的紗線（meta yarn）編織到聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）織物中，涂上少量碳納米管溶液，使用濕度控制器，對織物在可控濕度條件下的紅外輻射進行表征，并用高分辨紅外相機直觀地捕捉到了織物的紅外輻射差異（圖3A、圖3B和圖3C）：在室溫條件下，當相對濕度從10%增加到75%時，與PET區域相比，meta yarn明顯變亮，說明紅外熱輻射率提高。研究表明，這種紅外輻射響應在較寬的相對濕度窗（5~90%）下有效，有效地覆蓋了不同環境下皮膚的相對濕度范圍。
圖3. 智能織物在不同濕度條件下的紅外輻射“門控效應”。（A）實驗裝置示意圖；（B），（Ｃ）室溫下10%和75%濕度條件下織物的紅外輻射照片；（D），（E），（F）meta yarn和PET的紅外響應圖。
要點3：智能織物瞬時調控溫度
研究人員指出，這種智能織物要么阻止紅外線輻射，要么允許它通過，這種響應幾乎是瞬間發生的，所以在人們意識到自己正在變熱之前，這件衣服可能已經冷卻了。
小結
由于紅外輻射傳熱是人體與環境之間熱交換的主要機制，利用這一紅外輻射“門控效應”，可能導致具有熱管理能力的可穿戴設備的突破，從而降低建筑供暖和制冷的能源成本，或提高人類在苛刻環境中生存的能力。
參考文獻：
Zhang X A, Yu S, Xu B, et al.Dynamic gating of infrared radiation in a textile. Science, 2019.
DOI: 10.1126/science.aau1217
http://science.sciencemag.org/content/363/6427/619
