浙大《Nano Lett》：可用于发电、加热、冷却的衣服或将诞生！

编辑推荐：本文提出了一种具备纳米结构的Janus织物，该织物可利用太阳和大气层的红外辐射窗口进行被动的加热和散热，从而实现全天候的室外个人热管理。同时，这种织物与皮肤之间形成的显著温差还可成为构成热电发电器件的重要组成部分，为新一代绿色能源的出现提供了可能。

升降温设备已经成为了人类生产生活中的重要组成部分，然而传统的冷却器及加热器会消耗大量的化石能源。随着资源与能源的日益短缺，我们亟需新型的个人热管理方式来减少能源消耗。

近日，浙江大学与西湖大学的李强教授、仇旻教授（通讯作者）提出了一种Janus织物，这种织物具有加热和冷却两种模式，与棉类等传统纺织品相比，其加热、冷却模式分别可使模拟皮肤的温度升高8.1℃和降低6℃，这对于室外环境下个人舒适度改善以及提高室外工作者的健康状况具有重要意义。相关论文以题为“Outdoor Personal Thermal Management with Simultaneous Electricity Generation”发表在Nano Letters上。

 

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00400

在这项工作中，研究人员设计了多层纳米结构来实现Janus织物的两种模式。其中，纳米多孔聚乙烯（nPE）由于其良好的红外辐射透过性可用作加热一侧的衬底，加热端由铜和锌的纳米颗粒涂层构成，用于吸收太阳光。同时，研究人员还将含氟丙烯酸酯单体的接枝聚合到纳米结构上，来提高纳米结构的机械性能及疏水性。在织物的冷却端，研究人员在纳米多孔聚乙烯的另一表面沉积了一层薄铝(Al)作为反射镜，以增强其在冷却模式下的近红外(NIR)光反射。此外，为了保证阳光在冷却端的散射能力，并提高织物在冷却模式下的中红外发射率，研究人员还将表面带有多孔PMMA涂层的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)用棉线缝在铝镜的顶部。Janus织物的整体厚度约为0.3毫米（图1e）。

 

图1. Janus纺织品的工作原理。 (a)室内外个人热管理中热辐射和太阳辐照产生的热量流入和流出；(b)计算出不同发射率ε的织物覆盖人体在室内环境(蓝色曲线)、室外环境(红色曲线，假定α =0)和室外环境(青色区域)的额外辐射散热率q (Ts =34℃)；(c)计算织物覆盖人体皮肤的散热率(Ts =34℃)(蓝色曲线，ε =1;红色曲线，ε = 0)在室外光照环境下具有不同的阳光吸收率α；(d)裸露皮肤、白棉覆盖皮肤、棉覆盖皮肤和理想的Janus织物的舒适环境温度(Ts =32-36℃)(散热率q=100W m^-2)；(e) Janus织物的工作原理和结构。

 

根据织物的光学性能表征，我们可以发现，其加热端的太阳光吸收率可以达到80%，红外波段在大气窗口发射率在16%左右。其冷却端的太阳光反射率可以达到91%，红外波段在大气窗口的发射率在87%左右（图2a和b）。通过热成像摄像机，我们可以观察到缝在T恤表面的织物起到了良好的加热和冷却效果（图2c和d）。此外，研究人员还给出了白天和夜间Janus织物对比棉类织物的温度测量曲线，从图中我们可以看到，白天时，Janus织物在加热和冷却模式下的皮肤模拟器的温度比黑棉和白棉覆盖的皮肤模拟器温度最高达到了8.1℃和6℃的差异（图3a）。足以说明，Janus织物在室外环境下确实具备良好的加热和冷却作用。

图2. 纺织品的光学性质及其形态。 (a)理想的室外纺织品和Janus纺织品在加热模式下的阳光吸收率和热发射率；(b)理想户外纺织品和Janus纺织品在冷却模式下的阳光反射率和热发射率。黄色区域为太阳辐照度光谱，粉红色区域为大气窗口；(c)人体穿着缝在白色t恤上的Janus纺织品的热图像和 (d)光学图像；(e) Janus纺织品加热侧和冷却侧的SEM图像。白色比例尺为1 μm。

图3.室外热测量。 (a)日间热测量结果。记录的数据对应不同纺织品覆盖皮肤模拟器的实时温度(红线，加热模式; 蓝线，冷却模式; 紫线，黑棉; 黑线，白棉; 黄线，环境温度)；(b)日间测试时所记录的太阳辐照度功率密度及风速；(c) Janus纺织品室外热管理能力测量装置及皮肤模拟器原理图；(d)夜间热测量结果，加热输入功率100Wm^-2。

 

为了验证Janus织物也可用于发电，研究人员还将商用TEG设计在了织物与人体皮肤之间，来测试其发电性能（图4a）。结果表明，由于织物与人体皮肤之间产生的显著温差（9.6℃左右，输出电压在33Vm^-2左右），TEG的最大输出功率密度在白天和夜间可分别达到69 mW m⁻² and 24 mW m⁻²。这种显著的输出功率足以为大部分的集成电路和传感器进行供电，说明Janus织物可成为热电发电器件的重要组成部分。同时，研究人员还对Janus织物是否可清洗进行了验证（图4d和e），经过了5次清洗循环后，Janus织物的加热端的光学性能没有发生显著变化，其冷却端的反射率和发射率也只下降了0.002和0.009，说明此种织物具备良好的生产应用前景。

图4. 热电发电性能测试和织物耐磨性表征。 (a)热电发电测试原理图；(b)白天和(c)夜间测量的覆盖在皮肤表面的Janus织物的温度变化曲线和TEG输出电压曲线。白天测试时，热的一面被Janus纺织品的加热端覆盖，冷的一面是皮肤。对于夜间测试，热的一面是皮肤，冷的一面被Janus纺织品的加热模式覆盖。紫色曲线是单位面积的输出电压；(d)加热侧和(e)冷却侧的可洗性试验；(f)不同纺织品的水蒸气透过率(WVTR)。黑色误差棒表示平均测量数据与单个样本之间的最大差异。

 

综上所述，Janus织物可以同时加热和散热的特性对于室外个人热管理的改善具有重要意义，其次对于可穿戴设备来说，Janus织物提供了一种新颖的热管理方案，对于TEG等热电发电器件的发展有着重要作用，并为新一代的柔性可穿戴电子设备的出现提供了可能。（文：Alex）