辐射冷却纺织品有望在全球不断升高的温度下实现个人热舒适。然而，城市地区的热岛效应很大程度上降低了冷却纺织品作为可穿戴织物的有效性，主要源于它们吸收来自地面和附近建筑的辐射。
通过分子设计，美国芝加哥大学的徐伯均教授（通讯作者）、吴荣辉和隋忱汐（共同第一作者）等人开发了一种中红外（MIR）光谱选择性的分层纺织品（SSHF），其发射率在大气透射窗口中占主导地位，最大限度地减少了来自周围环境的净热增益。由于纳米-微杂化纤维结构的强Mie散射，SSHF具有较高的0.97的太阳光谱反射率。当SSHF在白天垂直放置在模拟的室外城市场景中时，它比一个反射太阳能的宽带发射器低2.3°C，而且具有良好的可穿戴性能。
相关文章以“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”为题发表在Science上。这也是徐伯均教授时隔8年之后再次在Science上发表冷却布料技术的研究性论文，当年被《科学美国人》评为“改变世界的十大科技”。
徐伯钧，2016 年毕业于斯坦福大学材料科学与工程专业，获得博士学位，师从崔屹教授。博士研究方向为辐射加热/冷却纺织品、电致变色器件、纳米纤维静电纺丝和金属纳米线透明电极。2016-2018年在斯坦福大学从事机械工程博士后研究，主要从事范德华异质结构材料的电热冷却和热性能研究。徐博士接受过材料科学和传热方面的培训，并参与了广泛的项目，致力于可以造福人类的跨学科、多尺度和以解决方案为导向的研究。研究小组旨在开发用于光和热管理的创新材料。考虑到应用和所需功能，我们设计、合成和制造具有理想光子结构、化学性质或传热特性的材料和设备。重点领域包括智能纺织品、光子纤维、太阳能海水淡化和固态冷却。课题组成立至今，目前已经在Science，Nature Communication，Science advances, Advanced energy materials, ACS Energy letters等著名期刊上发表多篇论文。
【研究背景】
城市热岛效应已成为影响人体健康的一大重要问题，加剧了全球变暖的影响。这种现象会导致一系列与热有关的疾病，包括心血管死亡、呼吸系统疾病、神经系统疾病和损伤。城市热岛效应的一个主要原因是城市基础设施，如建筑物和地面，吸收了更多的太阳辐射，并比草地、树木和水体等自然景观向周围辐射了更多的辐射。这种效应不仅放大了导致更高发病率和死亡风险的热浪，而且对能源消耗、空气质量和城市生态系统也有重大影响。目前，世界上一半以上的人口居住在城市。随着所有国家城市化程度的增加，预计将从2022年的57%增长到2050年的68%，全球更大比例的人将暴露于城市热岛效应，在不久的将来，城市地区极端高温的风险将会增加。因此，采取积极措施保持健康，抵御城市热岛效应对当代社会至关重要。
保持热舒适性的一种有前途的方法是通过辐射冷却纺织品，将热辐射发射到外层空间并拒绝太阳辐射。在晴朗的天空下，被动辐射冷却性能已经得到证明，但通常不考虑来自加热地面和城市结构的热量增益。具体来说，辐射冷却纺织品通常设计为在整个中红外区域（MIR）广泛发射热量，并假设它们有无障碍的天空视野。因此，它们的冷却性能，包括冷却功率和温度降低，但这种假设忽略了大约97%的纺织品通常来自一个穿着充分的站立的人，只有一小部分布料区域（<3%）是水平方向的。因此，在现实场景中，服装的视野中有50%被地面遮挡，而在城市场景中，由于建筑物和其他基础设施，这一比例增加得更多。
当暴露在强烈的太阳辐射下时，可以达到超过70℃的高温并散发出大量的热量。根据基尔霍夫定律，发射率等于热力学平衡下的吸收率。换言之，宽带发光纺织品的冷却性能通常会受到来自周围环境的入射热辐射的极大影响。为了在更逼真的场景中实现衣服的高冷却性能，应设计光谱选择性纺织品，使发射仅在波长范围为8至13 μm的大气传输窗口 （ATW） 中占主导地位，并且抑制来自周围地面或建筑物的所有非ATW寄生热。这个概念是由 Mandal 等人提出的，用于建筑外墙，但展示相同的设计用于人体冷却并非易事。
【内容详解】
本文设计了一种MIR光谱选择性分层纺织品（SSHF），其ATW光谱选择性比高达2.23，平均ATW发射率为0.85，在城市地区具有明显的冷却效果。ATW区域的高发射率使SSHF能够向外层空间发射热量，而非ATW区域的高反射率（低吸收率）使周围热地面或建筑物的热量吸收最小化。
同时，基于多模态传热机制和光-物质相互作用设计了SSHF，它由聚甲基戊烯（PMP）纳米-微杂化纤维层、银纳米线（AgNW）和羊毛织物组成。由于静电纺丝过程中溶剂的连续挥发，表面PMP光纤具有广泛的尺寸分布，从而实现了覆盖整个太阳光谱的宽带散射效率。值得注意的是，PMP只有C-C（954-1004 cm-1）、-CH2（1176-1241 cm-1）、-CH（862-881 cm-1）和-CH3（931 cm-1）键键，因此它作为仅在ATW范围内具有高吸收的选择性发射极显示出巨大的潜力。中间的AgNW层在整个MIR区域提供高反射率，防止红外（IR）从城市基础设施传输到人体。底部羊毛织物是宽带发射器，它通过织物-皮肤气隙 吸收来自人体皮肤的热辐射，并通过AgNW层进一步将热量传导到顶部PMP织物。
总的来说，开发了一种光谱工程分层纺织品，其选择性发射率在朝外侧的ATW中占主导地位，在向内侧具有宽带发射率。ATW区域的高发射率使SSHF表面能够向外层空间散发热量，而非ATW区域的高反射率（低吸收率）最大限度地减少了来自炎热环境（如地面和建筑物）的热量增加。同时，高向内宽带发射率有利于与人体的辐射热交换，与气隙传导和对流平行。同时，SSHF具有优异的耐磨性，包括透气性、耐洗性、耐久性、强大的机械性能和抗紫外线老化性能。在个人与其环境之间的全面传热分析的支持下，用于垂直面纺织品的选择性光谱设计引入了一种创新且有效的被动个人冷却解决方案，以应对城市热岛效应，该解决方案不仅具有减少空调能耗的潜力，而且还可以作为与热相关的健康问题的预防措施。
【文献信息】
Ronghui Wu†, Chenxi Sui†, Ting-Hsuan Chen, Zirui Zhou, Qizhang Li, Gangbin Yan, Yu Han, Jiawei Liang, Pei-Jan Hung, Edward Luo, Dmitri V. Talapin1, Po-Chun Hsu1*, Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0653
