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微纳热辐射材料:小身板有大能量

稿件来源:中国科学报 张双虎 责任编辑:ICAC 发布时间:2021-05-17

 

日间光照下热电产生示意图

  如果有一件衣服,正穿温暖,反穿凉爽,还可全天发电给耳机充电。你是否现在就想来一件?

  日前,浙江大学光电学院教授李强与西湖大学工学院教授仇旻联合团队,研发的一款微纳热管理材料,就可以制成这种神奇的衣服—— 一面加热,一面冷却。这种材料还有望用于建筑物热管理,为节能减排开拓新思路。

  近日,相关研究发表在《纳米通讯》杂志上。

    正穿温暖,反穿凉爽 

  “这种材料有两层,上层为白色,用于散热。下层为灰黑色,能够保温。”李强告诉《中国科学报》,“夏天或者白天人们需要散热时,就把白色层穿在外边。冬天或者夜间需要保温时,就把衣服反过来,黑色层穿在外边。”

  这种双层材料中间是带有纳米孔的铝,铝的一侧是两种有机材料:ePTFE(户外衣服常用材料)和 PMMA。其中,多孔 PMMA 涂层涂覆在 ePTFE 上,可以增强辐射散热,还能高效散射太阳辐射能量。铝的另一侧则采用纳孔聚乙烯上沉积锌、铜纳米颗粒的方法,用于抑制辐射散热,并高效吸收太阳辐射能量。

  “也就是说,保温时它会尽可能地吸收太阳的热量,并将人体热辐射反射回皮肤。散热时则尽可能散射太阳光,同时高效地将人体热辐射散到外界环境中。”李强介绍说,“织物材料整体厚度只有约 0.3毫米,比普通的 T 恤(约 0.5毫米)还要薄。”

  为测试这种微纳材料的性能,研究人员将其与黑、白两种颜色的棉布放在阳光下对比,并记录模拟皮肤的温度变化。

  “实验表明,阳光下,该材料在保温模式时相比黑色棉布可使模拟皮肤多升温14oF(约8℃)。散热模式时,比白色棉布让模拟皮肤降温11oF(约6℃);在晴朗的夜晚,保温模式时,模拟皮肤温度比白色棉布提高了5oF(约 3℃)。”该论文共同第一作者罗皓说,“通过两种模式的切换,模拟皮肤能保持在舒适的温度范围。”

  该材料的织物表面广泛分布着微纳孔结构,其孔隙远大于水汽分子的直径,因而可以保证水汽在织物内部畅通无阻。透水汽性能测试发现,这种织物的水汽透过率和棉布基本相同,因此,能让人们的皮肤触感接近正常衣服。

  “这种材料可以直接使用常规的工具(包括剪刀)进行裁剪加工。”李强说,“制成的衣服在日常清洁方面可以采用清水洗涤方式。我们做过10次水洗实验,每次机洗1小时,10次机洗后性能依然良好。”

  因为该材料加工涉及磁控溅射与喷涂等常规工艺,在日常清洗或保养时,10次水洗后性能会有所衰减。“如果在保温面喷涂一层疏水喷雾,就可以解决这个问题(保养护理过程中多次水洗)。”李强说。

  而在成本方面,研究人员在实验室加工过程中,从市场上购买相关材料的价格是每平方米40元左右。“其中ePTFE20元,而且这部分成本可以进一步降低。另外20元主要为PMMA成本,大批量采购价格肯定会更低。”李强说,“此外,PMMA层并非必需,它的主要作用是进一步增强散热性能。”

    化身移动“充电宝” 

  值得一提的是,利用微纳材料做成的衣服,皮肤和衣服间能产生“温差”,如果把热电材料放在两个有温差的物体中间,就能将热能转化成电能。这自然让科学家想到它的另一个“附赠”应用——发电。

  研究发现,按照当前热电材料产生电能的效率,中午在保温模式下,这种微纳材料覆盖的热电模块可产生69毫瓦/平方米的电能。夜间在散热模式下也能产生约24毫瓦/平方米的电能。

  “人体表面约1.6平方米,正午最大能产生110毫瓦的功率。我们平时使用的耳机功率约十几毫瓦,所以它完全可以给耳机充电。”李强说,“智能手机的功率约5瓦,因此目前还不能为手机充电。”

  李强解释说,衣服和皮肤的温度差肯定不能太大,否则会灼伤皮肤,所以利用这个温差也有一定的局限性。另一个能够提升发电功率的因素是热电模块的温度电压系数,“但这是热电材料的问题,还需要进一步提高材料科技水平”。

  研究人员希望,随着相关技术的逐步提高,这种功能可用来为人们的可穿戴电子设备供电。

    微纳热管理或有大应用 

  热辐射是热量传递的3种方式之一。热辐射在热管理、能源利用、红外隐身及红外检测等领域发挥着重要作用。近年来,随着微纳光子学发展,法布里—珀罗光学腔、光栅、光子晶体以及超表面等微纳结构研究愈发成熟,人们将这些结构应用到热辐射中,为热辐射的光谱和空间调控提供了基础,使通过热辐射途径调控人体和外界热交换成为可能。

  除用于制衣外,这种微纳结构材料还可用于建筑物的热管理等。

  “我们通常认为出汗越多,排出的热量就越多。这当然没错,但实际上人体绝大多数热量是通过光波辐射出去的。”仇旻告诉《中国科学报》,“人体65%的能量通过热辐射散发出去,所以如果要保温,最好的办法是降低热辐射,如果要散热最好的办法是增强热辐射。虽然后者有点难,但保温是可以做到的。”

  仇旻解释说,人们可以通过纳米结构改变材料的辐射效果,目前用微纳结构改变热辐射已经有了一些应用,比如进行热辐射管理等。如果在物体表面覆盖一层微纳薄膜,可以改变它的热辐射,使其表面温度降下来。“比如,在夏天,如果我们在屋顶覆盖这样的材料,能让室内温度降低4至5℃。”

  随着微纳结构热辐射调控技术的发展,人们在热管理和能源利用方面或将拥有更多的自由。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00400

  (原载于《中国科学报》 2021-05-17 第3版)
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