作者:赵熙熙 来源:中国科学报 发布时间:2017/11/14 11:38:58
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冬暖夏凉新织物研制成功
具有显著节能作用,应用前景广阔

 

碳和铜的双层结构有助于新织物吸收和释放热量。图片来源:《科学进展》

本报讯 几乎没有什么衣物比那些能够两面穿着的服装更不招人喜欢了,然而一个工程师团队如今发明了一种新的织物,它既可以制成最暖和的衣服,也可以变为最凉快的穿着。这种合成纤维可以使穿戴者变暖或变凉,而这完全取决于身体接触的是哪一面。研究人员已经在尝试将这种史无前例的发明商业化,它很快就能让穿戴者省却大量控制温度的烦恼以及金钱。

在美国,取暖和制冷是大多数家庭最大的能源消耗,占家庭能源消耗的40%。因此,研究人员已经开始寻找其他方法控制温度,例如衣物。

让衣服变暖很简单——设计可以更好捕捉人体自身热量的隔热材料。然而由于纺织品通常会在皮肤表面吸收热量,因此使衣服冷却变得十分困难。最近的一项策略是制造一种对身体产生的红外辐射(IR)通透的材料——以这种方式散失的热量占身体热量的40%到60%,从而使这些热量能够释放到周围的环境中。

如今,加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学材料科学家崔屹和他的同事把隔热和IR处理的方法结合在一个分层的织物中,从而可以根据穿戴者接触的不同侧面来加热或冷却。

这种45微米厚的材料大部分是由聚乙烯(PE)制成的,它是一种廉价的塑料,在这种情况下,它布满了纳米尺寸的孔洞。这种纳米PE可以阻挡可见光,所以它是不透明的,就像基于PE的塑料膜一样。但它却能够让来自身体的IR穿过。

而夹在PE中间的则是一种由两部分构成的材料——纳米PE涂层一边覆盖着一层能够吸收(并释放)IR的碳层,而另一边则覆盖着一层超薄的铜层,它只能吸收和放出很少量的IR。

至关重要的是,这个双层结构并非位于布料的正中间,而是更靠近其中的一侧。当双层结构靠近皮肤时,碳层就在外面。当它吸收来自身体的热量时,会将其重新辐射到周围的空气中,使穿戴者凉爽;而内部的铜层则阻止它向皮肤辐射热量。

但如果衣服被翻转过来,双层的一面就会离身体更远。这就阻止了碳层吸收来自皮肤的过多热量。最终,无论来自身体的热量被吸收还是再辐射,它都会被现在正位于外侧的铜层反射回皮肤,从而有效地捕获了来自身体的热量。

换句话说,如果将这种材料制成衣服,在寒冷的冬天,让镀铜层一面朝外,衣物会自动聚集热量,让皮肤保持温暖。如果是热天,让碳涂层朝外,衣服会自动释放热量为人体降温。

崔屹和他的同事在11月10日出版的《科学进展》杂志上报告说,这项技术运行得非常好,可以根据穿着的不同方式产生6.5摄氏度的温差。这就足以让恒温器的温度在冬天变得更低一些,在夏天变得更高一些,但仍然能够让大楼里的每个人都感到舒适。更有甚者,计算机建模表明,进一步的改进应该能够使这种温度的波动增加一倍以上。

“这是一篇令人兴奋的论文。”剑桥市麻省理工学院的机械工程师Evelyn Wang说,“我认为这是一个完美的概念并且非常简单。”与其他一些热调节技术不同,这种材料依靠的是一种被动的加热和冷却效果,这意味着它不需要外部电力来完成这项工作,这将使生产和维护变得更加容易。

该研究得到了美国能源部下属一个研究机构的资助。研究人员表示,虽然这一新材料还不能马上用于服装制造,但它具有显著的节能作用,应用前景广阔。

崔屹和他的同事已经开始努力将这项技术商业化,并计划在未来几年内成立一家公司,从而将其推向市场。崔屹说,碳层和铜层非常薄,就像聚乙烯一样,因此它们应该很便宜。但未来的织物将不得不跨越其他实际应用的障碍,比如在洗涤后的耐用性和稳定性。(赵熙熙)

《中国科学报》 (2017-11-14 第2版 国际)
 
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