材料學新突破，正穿保暖反穿降溫 納米控溫布料問世全程零能耗

近日，著名華裔科學家崔屹領銜的一支斯坦福大學材料科學研究團隊，發表了一項極富想象力的研究成果——一款擁有神奇功效的全新“布料”：貼身穿著時，它不需要任何外界能量輸入，就可以調節人體向外輻射熱量的多少；正面穿著時，可以幫助人體保溫，而如果“里面朝外”翻過來穿，竟然會幫助人體散熱！

該團隊稱，這項發明有望將體感溫度的舒適區間擴大 14.7攝氏度之多，從而讓人在很大的溫度范圍內都保持舒適，更會顯著降低大量的建筑物制冷/制熱能耗。

衣服這種古老的發明，對于人類的重要作用毋庸置疑。不過，有趣的是，從獸皮、樹葉開始，到絲綢、棉布、化學纖維，盡管衣服的材料不斷地更新，但它們的基本作用也從來都沒有變過，那就是：減少散熱，增加體表溫度。

進入到現代社會，人類發明了空調、暖氣等一系列設備，以保證室內的人們在穿著適量衣物的情況下，就可以維持合適的體感溫度。這個我們已經習以為常的任務，事實上消耗著大量的能源。以美國為例，建筑物為了維持合適溫度所消耗的能源，高達全社會總能耗的 12%。

我們可能也從未覺得這么做有什么不妥。直到斯坦福大學的崔屹團隊發明出了一種神奇的材料：“人體輻射式加熱/制冷雙?？椢铩薄Ｕf是“織物”，但它并不是用什么纖維織起來的，而是由納米材料制成的。

這種貼身穿著的神奇“布料”不依賴制冷劑，也不用需要暖寶寶里鐵粉的氧化反應，只需厚度為幾十微米的薄薄一層，就可以實現被動式的輻射換熱：正面穿，可以最大限度減少人體對外的熱輻射，實現體表保溫；反面穿，最大限度增加人體對外輻射，比常規衣物明顯涼快得多。

這塊布料為什么會這么神奇呢？這要從人體維持體溫的原理說起。作為一種恒溫動物，人是通過體內產熱和體表散熱的動態平衡來維持合理的體溫的。所謂的體內產熱，就是通過類似于燃燒燃料的方法，消耗葡萄糖等能量物質產生熱量；而散熱則包括熱傳導、對流換熱和輻射換熱三種形式。

其中，人體靜止時，有 40%～60% 的散熱量是通過向外輻射紅外線實現的。當周圍的環境溫度低于人體溫度時，人體便可以把熱量以電磁波（主要是紅外線）的形式向外輻射。

因此，在維持體溫的動態平衡中，如果輻射的熱量大于體內產熱，人就會降溫；而如果輻射的熱量小于體內的產熱，則會升溫。

而輻射量的高低，主要取決于“輻射率”。輻射率是一個物體表面的固有屬性，輻射率高，輻射出的能量就多；而輻射率低，通過熱輻射帶走的能量就少。因此，如果可以控制輻射率，讓它在需要放熱的時候變高，需要降溫的時候變低，就可以改變人體對外輻射熱量的多少，進而實現衣物幫助人體保溫還是散熱的調控。崔屹團隊的神奇發明，利用的就是輻射率決定輻射量、而輻射量決定體表是升溫還是降溫的原理。

崔屹團隊發明的“布料”——人體輻射式加熱/制冷雙?？椢铮ê喎Q雙?？椢铮?，總共由三種材料構成：在上下兩層，為對紅外波段的熱輻射幾乎“透明”的納米聚乙烯基底。兩層納米聚乙烯中間，夾著一個雙層輻射體，由輻射率超高的碳薄層，和輻射率超低的銅薄層組成。

由于貼身穿著，不管任何織物，貼著皮膚的內層主要的傳熱方式是熱傳導。因此，內層材料的輻射率對織物整體的輻射率幾乎沒有影響——織物的輻射率主要取決于織物的外層材料。大部分的常規衣服面料的輻射率都在 0.8 左右，這個數字意味著它們只能以固定的散熱量來為人體提供保溫：

在雙模織物的雙層輻射體中，碳層的輻射率高達 0.9（輻射率的理論上限為 1），意味當它朝外時，輻射散失的熱量會大于體內的產熱，從而導致體表溫度的下降：而銅層的輻射率則只有 0.3。因此，當這一層朝外時，輻射散失的熱量會小于體內的產熱，從而起到比常規織物好得多的保溫效果。

為了驗證雙模織物的效果，研究人員做了如下的實驗：在 22.0攝氏度的環境溫度下，一個用來模擬人體體表的電加熱器以 51 W/m2 的功率產生著熱量。當加熱器“穿”上一件普通針織衫的時候，其表面溫度（模擬衣服下面的人體體表溫度）為 36.9攝氏度。換上雙?？椢锖螅紝映鈺r，其溫度下降到了 33.8攝氏度，比普通織物低了 3.1攝氏度；而當銅層朝外時，溫度升高到了 40.3攝氏度，比普通織物高出 3.4攝氏度！不同穿著方式造成的溫差高達 6.5攝氏度！事實上，在去年，崔屹團隊就已經實現了使用納米多孔聚乙烯制作可以降溫的織物。但用同一塊布，正反面穿著卻有著不同的效果，這還是第一次。他們的成果已經于近日發表在了《SCIENCE ADVANCES》雜志上。對于崔屹團隊來說，這不過是他們發表的又一篇頂級期刊論文，但對于紡織業、服裝業來說，卻可能是具有特殊意義的一次技術突破。

首先，這是一件不需要消耗額外能源、不需要精密自動化控制，卻可以實現“全天候”保持溫度舒適任務的衣服。不論是早上的陰冷還是溫暖的午后，它都可以提供全時段、全溫段的服務，而不用總是“及時增減衣物”，或糾結于“二四八月亂穿衣”。當然啦，崔屹團隊表示，如果配合上帶有電源的可穿戴設備，他們可以讓衣服變得更加智能、可控。

其次，這還是一種廉價的技術。其中用量最大的材料聚乙烯，是非常常見的日常材料，常用于制作保鮮膜、食品包裝等日用品。

也許在未來，我們就不用消耗那么多能源去維持所有的室內溫度了。人人只需要穿著薄薄的一件衣服，就可以完美維持體表的溫度和濕度。這種有些科幻片都不一定敢想象的場景，正在被科學家們變成現實。

但在那一步前，崔屹他們的神奇布料要克服的實際應用障礙還有很多。比如，他們尚不能對濕度進行調節。還有，作為一件衣服，雙?？椢镄枰C明自己足夠耐磨、耐洗。最后，大家剁手買衣服的時候，溫度的需要經常讓位給風度。戶外衣物的面料科技含量再高，銷量最好的面料還是純棉、毛料等傳統質地。

不過，時尚的潮流總是說變就變，或許過不了多長時間，微米級別厚度、可以同時御寒和散熱、甚至可以精確調控溫度的衣服，實現科技與時尚的完美統一。（摘自美《深科技》）

（編輯/華生）