文獻(xiàn)前沿丨Adv. Fiber Mater.：受蜥蜴鱗片啟發(fā)的非對稱太陽能約束織物，實現(xiàn)可擴(kuò)展的雙向熱調(diào)節(jié)

近年來，基于光譜工程的熱管理紡織品由于在熱調(diào)節(jié)過程中的零能耗特性，在維持人體熱舒適性方面發(fā)揮著重要作用。然而，目前開發(fā)出的各類制冷或者制熱紡織品大多僅具備單一的溫度調(diào)節(jié)模式，使得它們在應(yīng)對動態(tài)變化的環(huán)境和氣候時，無法發(fā)揮出相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)功能。為此，本文受蜥蜴鱗片角度依賴性的啟發(fā)，開發(fā)出一種具有不對稱太陽能約束性質(zhì)的紡織品(asymmetric solar confinemen text, ASCT)。該紡織品是以聚乳酸(polylactic acid，PLA )為基底，通過靜電植絨技術(shù)在基底一側(cè)垂直植入尼龍纖維，構(gòu)建仿生垂直陣列骨架，并采用噴涂技術(shù)在該骨架上依次負(fù)載PEI/TA復(fù)合層與MXene納米片，形成具有高效光捕獲能力的加熱功能層；在織物另一側(cè)，則通過噴涂經(jīng)MTMS改性的二氧化鈦納米顆粒溶膠，構(gòu)建具有高效光散射與高中紅外發(fā)射特性的冷卻功能層。所制備的ASCT表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能：冷卻側(cè)具有95.1%的高太陽反射率和96%的高中紅外(mid-infrared，MIR)發(fā)射率;而加熱側(cè)則具有的97%太陽吸收率和56%MIR發(fā)射率。實驗結(jié)果表明，在陽光照射下，冷卻側(cè)覆蓋的模擬皮膚溫度較白色棉織物覆蓋的情況低約4.5°C，而加熱側(cè)覆蓋的模擬皮膚溫度較黑色棉織物覆蓋的情況高約12.8°C。在人體穿著實測中，加熱側(cè)與冷卻側(cè)溫差可達(dá) 35.8°C；在建筑模型上，用加熱側(cè)和冷卻側(cè)覆蓋的屋頂兩面溫差達(dá) 12°C。此外，ASCT兼具機(jī)械穩(wěn)健性、透氣性、柔軟性與耐用性，非常適合應(yīng)用于穿戴領(lǐng)域。該織物基于“零能耗翻轉(zhuǎn)切換”的工作機(jī)制，結(jié)合成熟且可擴(kuò)展的紡織制備工藝，為其從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用與規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。相關(guān)工作以Lizard Scale-Inspired Asymmetric Solar-Confined Textiles Enabling Scalable Bi-directional Thermoregulation為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials期刊。

本文受蜥蜴皮膚微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)出一種具有不對稱太陽能約束性質(zhì)的紡織品（圖1）。ASCT由兩個功能側(cè)組成，分別是高太陽約束(high solar confinement，HSC)側(cè)和低太陽約束(low solar confinement，LSC)側(cè)。LSC側(cè)通過噴涂工藝在PLA背面負(fù)載經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的二氧化鈦納米顆粒，形成具有微納米級粗糙度的高散射表面，實現(xiàn)高太陽反射和高中紅外發(fā)射。HSC側(cè)通過靜電植絨在PLA表面垂直植入PA纖維，形成類似蜥蜴豎直鱗片的三維微柱陣列，并對陣列表面進(jìn)一步修飾MXene納米片，構(gòu)成高效的光陷阱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)太陽能的高效捕獲與轉(zhuǎn)化（圖2）。得益于仿生設(shè)計和零能量非對稱太陽能約束策略，研究人員制備的ASCT表現(xiàn)出優(yōu)異的雙向光譜特性：其冷卻側(cè)太陽反射率達(dá)95.1%、中紅外發(fā)射率達(dá)96%；加熱側(cè)太陽吸收率達(dá)97%、中紅外發(fā)射率為56%（圖3）。基于其優(yōu)異的光學(xué)性能，研究人員對其進(jìn)行了熱管理性能測試。測試結(jié)果表明，在陽光照射下，冷卻側(cè)覆蓋的模擬皮膚溫度較白色棉織物覆蓋的情況低約4.5°C，而加熱側(cè)覆蓋的模擬皮膚溫度較黑色棉織物覆蓋的情況高約12.8°C。在人體穿著實測中，加熱側(cè)與冷卻側(cè)溫差可達(dá) 35.8°C；在建筑模型上，用加熱側(cè)和冷卻側(cè)覆蓋的屋頂兩面溫差達(dá) 12°C（圖4）。此外，ASCT織物兼具機(jī)械穩(wěn)健性、透氣性、柔軟性與耐用性，非常適合應(yīng)用于穿戴領(lǐng)域(圖5)。該研究利用Janus光譜工程的零能耗特性實現(xiàn)高效熱管理，為發(fā)展可靠的雙模熱調(diào)節(jié)技術(shù)與推動節(jié)能應(yīng)用展現(xiàn)了巨大潛力。

圖1. ASCT的概念與設(shè)計：(a)蜥蜴鱗片在炎熱和寒冷環(huán)境中的熱行為示意圖。(b)在不同環(huán)境條件下鱗片對太陽光響應(yīng)的調(diào)制原理。(c)理想紡織品的光譜調(diào)制特性。(d)受蜥蜴鱗片啟發(fā)的纖維角度設(shè)計示意圖，該設(shè)計將受高太陽輻射約束的垂直纖維側(cè)（HSC）與受低太陽輻射約束的水平纖維側(cè)（LSC）結(jié)合在一起。(e)結(jié)構(gòu)不同的織物其理論凈冷卻功率和(f)理論凈加熱功率隨溫差變化的函數(shù)關(guān)系圖，其中溫差定義為Ts - Tamb。注：h代表非輻射傳熱系數(shù)（對流和熱傳導(dǎo)）。(g) ASCT在不同模式下測得的太陽反射率和中紅外（MIR）發(fā)射率。(h) ASCT的實拍圖。比例尺：0.5米。

圖2. ASCT的制備：(a)采用靜電植絨技術(shù)制備HSC側(cè)的示意圖。(b)采用噴涂技術(shù)制備LSC側(cè)的示意圖。(c)太陽能約束結(jié)構(gòu)織物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分示意圖。(d) HSC側(cè)和(e) LSC側(cè)的FTIR譜圖。(f) LSC側(cè)和(g) HSC側(cè)的SEM圖像及相應(yīng)的EDS元素分布圖。(h) LSC側(cè)和HSC側(cè)的X射線衍射圖譜。

圖3. ASCT的光學(xué)特性：(a) LSC側(cè)的太陽反射率。(b) LSC側(cè)處理前后的CIE 1931色度圖。(c)不同直徑的TiO?納米顆粒的模擬散射效率。(d)不同入射波長(300、500、1000和2000 nm)下，無微納結(jié)構(gòu)的PLA（左）和LSC側(cè)（右）表面的散射電場分布。(e) HSC側(cè)的太陽吸收率。(f)平面結(jié)構(gòu)和(g) HSC結(jié)構(gòu)的光反射與光強(qiáng)有限元分析。(h)在不同太陽輻照度下HSC側(cè)的溫度變化。(i)在不同太陽輻照度下HSC側(cè)與LSC側(cè)的穩(wěn)態(tài)溫差。(j) LSC側(cè)、PLA和HSC側(cè)的中紅外（MIR）發(fā)射率對比。

圖4. ASCT的熱管理性能：(a)用于戶外熱測量的裝置示意圖和實拍圖。(b) 2024年7月22日在中國上海對覆蓋不同樣品的模擬皮膚進(jìn)行連續(xù)溫度測量的結(jié)果。(c)棉織物和ASCT的熱管理區(qū)間對比。不同非輻射傳熱系數(shù)下，ASCT的(d)理論凈冷卻功率和(e)理論凈加熱功率。(f)將ASCT應(yīng)用屋頂上的場景示意圖。(g)覆蓋ASCT的房屋模型在陽光照射下的溫度變化曲線。插圖為覆蓋ASCT的房屋模型實拍圖，以及記錄在不同光照時長模型房屋的的紅外熱成像圖。(h)ASCT在人體上的應(yīng)用示意圖。(i)2024年8月11日，在成都（北緯30°37′51″，東經(jīng)104°5′1″），身著ASCT背心的志愿者在陽光下暴露一小時，其背心的紅外熱成像圖。比例尺為5厘米。(j)將不同模式的ASCT覆蓋在皮膚上，并對陽光照射下的皮膚的溫度進(jìn)行追蹤。

圖5. ASCT的可穿戴性能：(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)透氣性。(c)耐磨性。(d)織物表面的水接觸角。(e)不同污染物液滴在LSC表面的狀態(tài)。(f) LSC表面的自清潔性能。比例尺為5厘米。(g)不同摩擦次數(shù)和(h)不同洗滌周期對兩側(cè)光譜性能的影響。插圖為水洗過程實拍圖，比例尺為10厘米。(i)在多功能應(yīng)用中不同織物的性能對比。PLA：未經(jīng)處理的純PLA織物黑色PA：商用黑色平紋PA織物。

小結(jié)：受蜥蜴鱗片角度依賴性太陽約束特性的啟發(fā)，作者利用靜電植絨和噴涂技術(shù)制備了一種具有不對稱太陽能約束結(jié)構(gòu)的雙模熱管理紡織品。值得注意的是，作者通過表面納米涂層技術(shù)，實現(xiàn)了織物在中紅外波段的Janus光譜特性，解決了傳統(tǒng)織物無法改變其中紅外發(fā)射率的技術(shù)難題。ASCT的LSC側(cè)通過MTMS偶聯(lián)劑將二氧化鈦分子級附著于PLA纖維上，實現(xiàn)了95.1%的太陽反射率和96%的MIR發(fā)射率，與無微納結(jié)構(gòu)的織物相比，可減少高達(dá)70 W/m2的太陽熱增益。當(dāng)ASCT翻轉(zhuǎn)時，HSC側(cè)呈現(xiàn)出三維微陣列結(jié)構(gòu)，其和在寒冷環(huán)境中蜥蜴張開的鱗片形態(tài)類似，可實現(xiàn)97%的太陽吸收率、56%的MIR發(fā)射率，并將加熱功率提升170 W/m2。此外，在建筑場景中LSC 側(cè)與 HSC側(cè)的溫差達(dá) 12℃，人體應(yīng)用中兩側(cè)溫差高達(dá) 35.8℃。可見，ASCT 為建筑和人體提供了廣闊的熱管理區(qū)間。更重要的是，ASCT具有機(jī)械穩(wěn)健性、透氣性、柔軟性和耐久性，是可穿戴應(yīng)用的理想選擇。該設(shè)計利用了Janus光譜工程的零能耗優(yōu)勢進(jìn)行熱管理，為實現(xiàn)可靠的雙模式熱調(diào)節(jié)提供了巨大潛力。

論文信息：LI X, GUO Z, JI Y, et al. Lizard Scale-Inspired Asymmetric Solar-Confined Textiles Enabling Scalable Bi-directional Thermoregulation[J]. Advanced Fiber Materials, 2025. https://doi.org/10.1007/s42765-025-00655-1.

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