材料学新突破，正穿保暖反穿降温！斯坦福大学崔屹团队惊奇发明，纳米控温布料问世全程零能耗

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近日，著名华裔科学家崔屹领衔的一支斯坦福大学材料科学研究团队，发表了一项极富想象力的研究成果——一款拥有神奇功效的全新“布料”：贴身穿着时，它不需要任何外界能量输入，就可以调节人体向外辐射热量的多少；正面穿着时，可以帮助人体保温，而如果“里面朝外”翻过来穿，竟然会帮助人体散热！

该团队称，这项发明有望将体感温度的舒适区间扩大 14.7°C 之多，从而让人在很大的温度范围内都保持舒适，更会显著降低大量的建筑物制冷/制热能耗。

图 | 崔屹教授

衣服这种古老的发明，对于人类的重要作用毋庸置疑。不过，有趣的是，从兽皮、树叶开始，到丝绸、棉布、化学纤维，尽管衣服的材料不断地更新，但它们的基本作用也从来都没有变过，那就是：减少散热，增加体表温度。

进入到现代社会，人类发明了空调、暖气等一系列设备，以保证室内的人们在穿着适量衣物的情况下，就可以维持合适的体感温度。这个我们已经习以为常的任务，事实上消耗着大量的能源。以美国为例，建筑物为了维持合适温度所消耗的能源，高达全社会总能耗的 12%。

我们可能也从未觉得这么做有什么不妥。直到斯坦福大学的崔屹团队发明出了一种神奇的材料：“人体辐射式加热/制冷双模织物”。说是“织物”，但它并不是用什么纤维织起来的，而是由纳米材料制成的。

这种贴身穿着的神奇“布料”不依赖制冷剂，也不用需要暖宝宝里铁粉的氧化反应，只需厚度为几十微米的薄薄一层，就可以实现被动式的辐射换热：正面穿，可以最大限度减少人体对外的热辐射，实现体表保温；反面穿，最大限度增加人体对外辐射，比常规衣物明显凉快得多。

图 | 崔屹团队研发出来的“布料”贴身穿着时的示意图

这块布料为什么会这么神奇呢？这要从人体维持体温的原理说起。

作为一种恒温动物，人是通过体内产热和体表散热的动态平衡来维持合理的体温的。所谓的体内产热，就是通过类似于燃烧燃料的方法，消耗葡萄糖等能量物质产生热量；而散热则包括热传导、对流换热和辐射换热三种形式。

其中，人体静止时，有 40%-60% 的散热量是通过向外辐射红外线实现的。当周围的环境温度低于人体温度时，人体便可以把热量以电磁波（主要是红外线）的形式向外辐射。

因此，在维持体温的动态平衡中，如果辐射的热量大于体内产热，人就会降温；而如果辐射的热量小于体内的产热，则会升温。

而辐射量的高低，主要取决于“辐射率”。辐射率是一个物体表面的固有属性，辐射率高，辐射出的能量就多；而辐射率低，通过热辐射带走的能量就少。因此，如果可以控制辐射率，让它在需要放热的时候变高，需要降温的时候变低，就可以改变人体对外辐射热量的多少，进而实现衣物帮助人体保温还是散热的调控。崔屹团队的神奇发明，利用的就是辐射率决定辐射量、而辐射量决定体表是升温还是降温的原理。

崔屹团队发明的“布料”——人体辐射式加热/制冷双模织物（dual-mode textile for human body radiative heating and cooling，简称双模织物），总共由三种材料构成：

在上下两层，为对红外波段的热辐射几乎“透明”的纳米聚乙烯基底。两层纳米聚乙烯中间，夹着一个双层辐射体，由辐射率超高的碳薄层，和辐射率超低的铜薄层组成。

图丨相对粗糙和多孔的碳层有着很高的辐射率

图丨相对光滑的铜层辐射率就要低很多

由于贴身穿着，不管任何织物，贴着皮肤的内层主要的传热方式是热传导。因此，内层材料的辐射率对织物整体的辐射率几乎没有影响——织物的辐射率主要取决于织物的外层材料。大部分的常规衣服面料的辐射率都在 0.8 左右，这个数字意味着它们只能以固定的散热量来为人体提供保温：

在双模织物的双层辐射体中，碳层的辐射率高达 0.9（辐射率的理论上限为 1），意味当它朝外时，辐射散失的热量会大于体内的产热，从而导致体表温度的下降：

而铜层的辐射率则只有 0.3。因此，当这一层朝外时，辐射散失的热量会小于体内的产热，从而起到比常规织物好得多的保温效果：

为了验证双模织物的效果，研究人员做了如下的实验：

在 22.0°C 的环境温度下，一个用来模拟人体体表的电加热器以 51 W/m2 的功率产生着热量。当加热器“穿”上一件普通针织衫的时候，其表面温度（模拟衣服下面的人体体表温度）为 36.9°C。换上双模织物后，碳层朝外时，其温度下降到了 33.8°C，比普通织物低了 3.1°C；而当铜层朝外时，温度升高到了 40.3°C，比普通织物高出 3.4°C！不同穿着方式造成的温差高达 6.5°C！

事实上，在去年，崔屹团队就已经实现了使用纳米多孔聚乙烯制作可以降温的织物。但用同一块布，正反面穿着却有着不同的效果，这还是第一次。他们的成果已经于近日发表在了《SCIENCE ADVANCES》杂志上。对于崔屹团队来说，这不过是他们发表的又一篇顶级期刊论文，但对于纺织业、服装业来说，却可能是具有特殊意义的一次技术突破。

首先，这是一件不需要消耗额外能源、不需要精密自动化控制，却可以实现“全天候”保持温度舒适任务的衣服。不论是早上的阴冷还是温暖的午后，它都可以提供全时段、全温段的服务，而不用总是“及时增减衣物”，或纠结于“二四八月乱穿衣”。当然啦，崔屹团队表示，如果配合上带有电源的可穿戴设备，他们可以让衣服变得更加智能、可控。

其次，这还是一种廉价的技术。其中用量最大的材料聚乙烯，是非常常见的日常材料，常用于制作保鲜膜、食品包装等日用品。

也许在未来，我们就不用消耗那么多能源去维持所有的室内温度了。人人只需要穿着薄薄的一件衣服，就可以完美维持体表的温度和湿度。这种有些科幻片都不一定敢想象的场景，正在被科学家们变成现实。

但在那一步前，崔屹他们的神奇布料要克服的实际应用障碍还有很多。比如，他们尚不能对湿度进行调节。还有，作为一件衣服，双模织物需要证明自己足够耐磨、耐洗。最后，大家剁手买衣服的时候，温度的需要经常让位给风度。户外衣物的面料科技含量再高，销量最好的面料还是纯棉、毛料等传统质地。

不过，时尚的潮流总是说变就变，或许过不了多长时间，微米级别厚度、可以同时御寒和散热、甚至可以精确调控温度的衣服，实现科技与时尚的完美统一。

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校审：黄珊

参考

Robert F. Service. This fabric can give you your own personal climate-control system. Nov. 10, 2017. http://www.sciencemag.org/news/2017/11/fabric-can-give-you-your-own-personal-climate-control-system

HSU P, LIU C, SONG A Y. A dual-mode textile for human body radiative heating and Cooling. SCIENCE ADVANCES, (2017)

J. D. Hardy, E. F. DuBois, Regulation of heat loss from the human body. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 23, 624–631 (1937)..

P.-C. Hsu, A. Y. Song, P. B. Catrysse, C. Liu, Y. Peng, J. Xie, S. Fan, Y. Cui, Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science 353, 1019–1023 (2016)

能量代谢与体温生理学. https://wenku.baidu.com/view/e3c2cd8da0116c175f0e481d.html