01 背景介紹
城市熱島效應(yīng)因其對人體熱穩(wěn)態(tài)的影響而引起廣泛關(guān)注，加劇了全球變暖的影響。這種現(xiàn)象導(dǎo)致一系列與熱有關(guān)的疾病，包括心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和傷害。城市熱島效應(yīng)的一個主要原因是，城市基礎(chǔ)設(shè)施，如建筑物和地面，比自然景觀，如草、樹和水體，吸收了更多的太陽輻射，并將更多的輻射重新釋放到環(huán)境中。這種影響不僅放大了導(dǎo)致更高發(fā)病率和死亡風(fēng)險的熱浪，而且對能源消耗、空氣質(zhì)量和城市生態(tài)系統(tǒng)也有重大影響。隨著所有國家城市化進(jìn)程的加快，預(yù)計(jì)將從2022年的57%增長到2050年的68%，全球?qū)⒂懈蟊壤娜耸艿匠鞘袩釐u效應(yīng)的影響，在不久的將來，城市地區(qū)極端高溫的風(fēng)險也會增加。因此，在城市熱島效應(yīng)的影響下，采取積極的措施保持健康對當(dāng)代社會至關(guān)重要。
近日，芝加哥大學(xué)徐伯鈞團(tuán)隊(duì)針對當(dāng)下全球氣溫上升用于個人熱舒適的輻射冷卻紡織品可穿戴織物的開發(fā)取得最新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過分子設(shè)計(jì)開發(fā)了一種中紅外光譜選擇性分層織物(SSHF)，其發(fā)射率在大氣透射窗口中占主導(dǎo)地位，最大限度地減少了來自周圍環(huán)境的凈熱增益。由于納米微雜化纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈米氏散射，SSHF具有0.97的高太陽光譜反射率。合理的光學(xué)設(shè)計(jì)和纖維納米制造實(shí)現(xiàn)了顯著的冷卻效果：垂直放置時，SSHF比寬帶發(fā)射器低2.3°C，水平放置時比環(huán)境溫度低6.2°C。同時，SSHF還具有出色的耐磨性，包括透氣性、耐洗性、耐用性、堅(jiān)固的機(jī)械性能和抗紫外線老化性能。在對個人與環(huán)境之間的熱傳遞進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，該垂直面紡織品選擇性光譜設(shè)計(jì)引入了一種創(chuàng)新而有效的個人被動降溫解決方案，以應(yīng)對城市熱島效應(yīng)。當(dāng)在白天垂直放置在模擬室外城市場景中時，SSHF比太陽反射寬帶發(fā)射器低2.3°C，并且具有出色的可穿戴性能。研究成果以“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”為題發(fā)表在《Science》。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1.形狀穩(wěn)定、機(jī)械增強(qiáng)、3D打印機(jī)械超材料結(jié)合石墨烯氣凝膠相變材料(PCM)的原理圖設(shè)計(jì)。
由于建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施吸收和再發(fā)射太陽輻射，城市熱島顯著影響熱舒適度并加劇與熱相關(guān)的健康問題。傳統(tǒng)的輻射冷卻紡織品在MIR區(qū)域設(shè)計(jì)為寬帶發(fā)射器，由于周圍結(jié)構(gòu)發(fā)出的熱輻射，在城市環(huán)境中效果較差。然而，SSHF織物設(shè)計(jì)用于主要在8至13 um的大氣傳輸窗口(ATW)內(nèi)發(fā)射輻射，從而最大限度地減少周圍環(huán)境的熱量增益并最大限度地提高冷卻性能。圖1A和1B說明了可穿戴織物在開放和城市環(huán)境中運(yùn)行的典型場景。這些紡織品的輻射冷卻性能受到其方向和周圍環(huán)境的顯著影響。圖1C展示了光學(xué)和紅外圖像，展示了城市結(jié)構(gòu)如何充當(dāng)熱源，從而挑戰(zhàn)傳統(tǒng)冷卻紡織品的有效性。圖1D對比了寬帶和光譜選擇性紡織品的冷卻能力，顯示了后者在高太陽強(qiáng)度條件下的卓越性能。圖1E描述了這些紡織品在開放場景中的冷卻能力，而圖1F則側(cè)重于城市環(huán)境，說明了選擇性紡織品在這些條件下的顯著優(yōu)勢。
圖2.3D-MPGA的制作工藝。
中紅外光譜選擇性紡織品的制備需要具有主要在ATW內(nèi)振動的特定化學(xué)鍵的材料。聚甲基戊烯(PMP)因其分子組成與所需的選擇性發(fā)射光譜非常吻合，被認(rèn)為是理想的候選材料。圖2A顯示了PMP的分子結(jié)構(gòu)，突出顯示了其選擇性鍵合特性。圖2B提供了各種聚合物發(fā)射光譜的比較分析，證明了PMP卓越的選擇比。圖2C中導(dǎo)出的PMP復(fù)折射率進(jìn)一步驗(yàn)證了其選擇性發(fā)射率的潛力。圖2D顯示了計(jì)算出的PMP發(fā)射率，與ATW顯著一致。圖2E展示了PMP與其他常見紡織品的選擇比和冷卻能力的比較研究，證實(shí)了其優(yōu)越的性能。通過靜電紡絲制備PMP紡織品的過程非常詳細(xì)，確保了可擴(kuò)展性和實(shí)際應(yīng)用。
圖3.GA, PGA和3D-MPGA的結(jié)構(gòu)，形態(tài)和界面分析。
SSHF的光學(xué)設(shè)計(jì)涉及多層結(jié)構(gòu)，包括PMP納米-微米混合纖維層、銀納米線(AgNW)和羊毛織物層。該設(shè)計(jì)利用多模態(tài)傳熱機(jī)制和光與物質(zhì)相互作用來實(shí)現(xiàn)高太陽反射率和選擇性熱發(fā)射率。圖 3A 說明了 SSHF 的層次結(jié)構(gòu)，而圖 3B 提供了顯示纖維網(wǎng)絡(luò)的 SEM 圖像。圖 3C 中的反射光譜證實(shí)了高太陽反射率，這對于最大限度地減少熱吸收至關(guān)重要。圖 3D 和 3E 顯示了紡織品的機(jī)械性能，包括靈活性和耐用性，這對于可穿戴應(yīng)用至關(guān)重要。圖 3F 突出顯示了 SSHF 的透氣性，這對于在各種條件下保持舒適度至關(guān)重要。
圖4.石蠟，GA, PGA和3D-MPGA的熱特性和穩(wěn)定性。
SSHF的戶外性能在模擬城市場景中進(jìn)行了測試，證明了其與傳統(tǒng)紡織品相比的冷卻效果。結(jié)果表明，SSHF保持了顯著較低的溫度，證明了其在實(shí)際條件下的卓越能力。圖 4A 顯示了室外熱測量的設(shè)置，而圖 4B 顯示了 SSHF 實(shí)現(xiàn)的溫度降低。圖 4C 將 SSHF 的性能與其他紡織品進(jìn)行了比較，進(jìn)一步證實(shí)了其有效性。
圖5. PGA和3D-MPGA在PCM固、液兩種狀態(tài)下抗外部機(jī)械載荷的防漏性和形狀穩(wěn)定性。
由于熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重，城市地區(qū)的輻射冷卻紡織品至關(guān)重要。作者構(gòu)建了三維(3D)理論模型，并計(jì)算了不同場景下建筑景觀因素對人體的影響。將視角β定義為地平線與連接紡織品和建筑物立面頂角的線之間的角度，將phi定義為建筑物底部中心和底側(cè)之間的角度（假設(shè)建筑物是對稱的）（圖5A）。從理論上比較了開放場景中850 Wm-2太陽強(qiáng)度下SSHF與寬帶結(jié)構(gòu)的冷卻能力（圖5C）。SSHF始終表現(xiàn)出比寬帶織物更高的冷卻能力。隨著β和phi均從0°增加到90°，SSHF和寬帶織物之間的冷卻功率差異進(jìn)一步從8.5 Wm-2增加到59.6 Wm-2。SSHF 的性能優(yōu)于寬帶發(fā)射器（圖5D）。
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