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 前沿：柔性可穿戴織物技術(shù)是先進制造業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)結(jié)合的重要突破口，是具有戰(zhàn)略價值的“卡脖子”技術(shù)，對推動產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

近年來，基于輻射制冷原理，利用織物內(nèi)部波長／亞波長尺度的微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對太陽輻射波段和紅外波段的光譜調(diào)控織物，在個人熱管理領(lǐng)域逐漸受到重視。基于輻射制冷的原理和形態(tài)分級的設(shè)計理念，華中科技大學陶光明團隊和浙江大學馬耀光團隊聚焦人民生活需求，顛覆傳統(tǒng)制冷理念，基于與人們?nèi)粘Ｉ钭蠲芮胁豢煞指畹姆b，研發(fā)了在陽光直射的室外環(huán)境下可無源使用的隨身“空調(diào)”——無源制冷光學超材料織物（Metafabric），以實現(xiàn)高效的戶外個人熱管理，可為所有人降溫。

無源制冷光學超材料織物具有分級形態(tài)結(jié)構(gòu)，根據(jù)織物空間結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、以及纖維內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)，在不同的空間、不同的尺度上進行分級，形成了一種宏觀有序，微觀隨機的形態(tài)學分級體系（Hierarchical－morphology system），如圖1所示。根據(jù)該結(jié)構(gòu)設(shè)計，0．3－25 μm的光譜大體被分解為三個波段，交由超材料織物中的不同級次響應(yīng)，最終實現(xiàn)紫外、可見－近紅外及中紅外波段的寬光譜精準調(diào)控。

圖1用于日間輻射冷卻的超材料織物示意圖

研究團隊將光電超材料技術(shù)與批量纖維制備技術(shù)相結(jié)合，選用綠色環(huán)保、生物可降解的聚乳酸（PLA）為纖維原料，引入特定波段光學新特性，獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維（圖2 a），纖維強度足以利用縫紉機在商用面料上進行任意文字和形狀的繡花。在此基礎(chǔ)上，進一步利用紡紗織造和層壓技術(shù)，得到在太陽光波段（0．3－2．5 μm）具有92．4％反射率、在中紅外波段（8－13 μm）具有94．5％發(fā)射率的超材料織物（圖2 b）。

圖2 超材料織物的表征：（a） 超材料纖維照片； （b） 超材料織物照片

革新的織物技術(shù)通過分級形態(tài)設(shè)計，是材料－光學－紡織技術(shù)的跨領(lǐng)域多學科協(xié)同創(chuàng)新。經(jīng)嚴格的測試，在無源輸入條件下，超材料織物可實現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度2－10℃的良好制冷效果（圖3）。借助大氣透明窗口（8－13 μm）增強熱量與外部寒冷空間的熱交換，并對整個太陽輻射波段（0．3－2．5 μm）實現(xiàn)高效的阻擋。

圖3 超材料織物的降溫性能測試：（a） 測試裝置示意圖和樣品照片，比例尺5 cm； （b） 超材料織物24小時連續(xù)制冷性能測試曲線圖（廣州，2020年12月5－6日）

超材料織物在陽光直射的室外環(huán)境下展現(xiàn)了顯著降溫效果，如同無源輕便地隨身空調(diào)，給使用者極大的涼爽舒適感。研究團隊通過制作一半棉、一半超材料織物的自制背心進行多次實際人體皮膚測試，最終發(fā)現(xiàn)相較于商用白色棉織物，整個過程中保持連續(xù)的水分蒸發(fā)，超材料織物下的模擬皮膚相較于棉可低～4 ℃。

圖4 陽光暴曬下超材料織物的實用性能表征。 （a） 超材料織物人體降溫測試照片； （b） 超材料織物人體降溫測試紅外圖

柔性可穿戴織物技術(shù)是先進制造業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)結(jié)合的重要突破口，是具有戰(zhàn)略價值的“卡脖子”技術(shù)，對推動產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。獨一無二多級結(jié)構(gòu)設(shè)計對多尺度的光學層級結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，有效調(diào)諧超材料織物在太陽光譜上精準的光學響應(yīng)，并將黑體輻射達到極限，展現(xiàn)了相較于以往工作更優(yōu)異的功能。同時，對隨機結(jié)構(gòu)超材料的再創(chuàng)造并沒有提高制備難度及設(shè)備成本，可以與整個成熟紡織行業(yè)相兼容。且具備零能耗、低成本、可產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)等特征，適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

附錄：陶光明教授介紹

陶光明，華中科技大學武漢光電國家研究中心和材料科學與工程學院雙聘教授、博士生導師、華中學者特聘崗教授、人機智能交互聯(lián)合實驗室主任。陶教授致力于研究多材料特種光纖、面向腔內(nèi)精準微創(chuàng)手術(shù)的柔性纖維醫(yī)療機器人以及康養(yǎng)全場景的智能織物技術(shù)等跨學科研究工作，先后在Science （1）， Nature （2）， Proc． Natl． Acad． Sci． （2）等國際學術(shù)雜志發(fā)表論文60余篇，擁有已授權(quán)國際／國內(nèi)發(fā)明專利近20項、申請國家發(fā)明專利近60項（其中專利許可轉(zhuǎn)讓9項）。陶教授為國家自然科學基金委面上項目、之江實驗室重大科研項目和陳嘉庚青年科學獎等科技項目擔任評審專家、任中國材料研究學會纖維材料改性與復合技術(shù)分會理事會副主任、中國紡織科學研究院智能織物工作室主任、中國光學學會紅外與光電器件專業(yè)委員會委員、中國紅外醫(yī)學產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟獨立委員、湖北省硅酸鹽學會理事、激光與光電子學進展期刊編委、Advanced Fiber Materials期刊副主編等。

馬耀光教授介紹

馬耀光，浙江大學百人計劃研究員、博士生導師。光電學院光電工程所書記、副所長。研究方向為介觀尺度光與物質(zhì)相互作用，以及微／納米技術(shù)在光電系統(tǒng)中的應(yīng)用。包括超構(gòu)材料與超構(gòu)表面器件、微納光器件、非線性光學器件等方面。近年來在包括Science（2）， Adv． Opt． Photon．國際重要學術(shù)期刊上發(fā)表40余篇高影響力學術(shù)論文，多篇為ESI高被引論文；擁有已授權(quán)國際／國內(nèi)發(fā)明專利十余項。馬教授為國家自然科學基金委面上項目、浙江省自然科學基金、之江實驗室科研項目等科技項目擔任評審專家。馬教授曾獲得2018年獲得中國儀器儀表協(xié)會金國藩青年學子獎。2020年起擔任《中國科學：技術(shù)科學》青年編委。