华中大陶光明/浙大马耀光Science：无源制冷光学超材料织物为所有人降温

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研究背景

冰川融化、海平面上升、极端气候、海水酸化、飓风海啸……近100多年来，不断积累的温室效应极大危害自然生态系统平衡，威胁人类的生存和健康。同时由于空间供能和制冷系统的需求提高，产生大量能源消耗，加重全球变暖和极端天气，对人类生产经济造成严重威胁。在这样的负反馈下，气候变暖和高温天气作为全人类共同面临的难题，对可持续发展构成巨大挑战。为应对气候变化，今年两会“碳达峰”、“碳中和”被首次写入政府工作报告，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等庄严的目标承诺；“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中，彰显大国担当。

人们在生产和作业时不可避免地需要暴露在高温暴晒的室外环境，实现零能耗的户外防护成为人们迫切的需求。如何高效率、低能耗地避免此类热应激对人体造成的伤害？为响应国家号召，主动顺应全球绿色低碳发展潮流，并同时解决户外极端高温问题，“个人热管理”作为一种面向人体个性化需求、实现人体局部环境加热或冷却的技术，可以避免将多余的电力浪费在加热或冷却整个建筑物上，具有更高的能源效率，逐渐成为绿色环保、高科技、个性化的方案。纺织业是一个庞大的产业链，目前中国的纺织工业已经形成全球体量最大、最完备的产业体系。整个纺织上下游产业链横跨三个国民经济类别，各板块自成体系独立研发，体量均为万亿级别以上。但由于缺乏源头新技术的创新，产业附加值低，我国的纺织工业大而不强。习近平总书记强调，要“打好产业基础高级化、产业链现代化的攻坚战”，要求我们从源头创新突破，推动纤维新材料向功能化、智能化、绿色化发展，推进产业基础高级化，构筑产业体系新支柱。柔性可穿戴织物技术是先进制造业与新兴产业结合的重要突破口，是具有战略价值的“卡脖子”技术，对推动产业升级具有重要意义。基于智能可穿戴的无源降温技术，可在阳光直射的户外高温环境下，对人体进行有效防护并满足热舒适需求。

技术原理

人体热量从皮下组织传导到皮肤，再通过衣物向周围环境散发热量，从而维持动态热平衡和相对稳定的体温。因此，通过衣物进行个人热管理是维持人体个性化热舒适需求的有效方法。但在极端条件下，传统衣物由于没有考虑占主导地位的热辐射作用，导致热调节能力差，且仍不能摆脱耗能、笨重等固有缺陷，因此近年来基于辐射热调节的织物吸引了越来越多学术界和产业界的关注。由于人体红外辐射范围（7-14 μm）与大气透明窗口（8-13 μm）重叠，人体的热辐射可以直接通过大气透明窗口向温度低至3K的外太空进行辐射制冷，从而实现零能耗的降温。所以利用人体所穿戴织物进行辐射制冷可显著提高人体热舒适且不需要任何外部能量输入，是传统耗能热管理技术极具潜力的替代及补充方案。

近年来，基于辐射制冷原理，利用织物内部波长/亚波长尺度的微结构来实现对太阳辐射波段和红外波段的光谱调控织物，在个人热管理领域逐渐受到重视。不过，目前的织物结构，其光谱调控主要集中在8-13 μm，这虽然能满足热学调控功能上的基本要求，对太阳辐射波段贫瘠的调控能力让这类织物在户外阳光直射的炎热环境下难以实现有效的热调控。对太阳辐射波段的高效调控，需要在织物内部引入如空气孔、介质颗粒、聚合物纳米纤维等随机纳米结构，以提供强烈的米氏散射。但低的散射效率和强紫外吸收等因素，使得这些方案在实现强的力学性能或是高反射效率上面临挑战。而分级结构设计可以拓宽随机结构的光谱响应范围，通过进一步将这些分级结构在宏观的空间尺度上进行排布，即形态上的分级，则可以有效避免不同波段光谱的串扰，优化光谱响应的效率。

基于辐射制冷的原理和形态分级的设计理念，华中科技大学陶光明团队和浙江大学马耀光团队聚焦人民生活需求，颠覆传统制冷理念，基于与人们日常生活最密切不可分割的服装，研发了在阳光直射的室外环境下可无源使用的随身“空调”——无源制冷光学超材料织物（Metafabric），以实现高效的户外个人热管理，可为所有人降温。

无源制冷光学超材料织物具有分级形态结构，根据织物空间结构、纤维结构、以及纤维内部纳米结构，在不同的空间、不同的尺度上进行分级，形成了一种宏观有序，微观随机的形态学分级体系（Hierarchical-morphology system），如图1所示。根据该结构设计，0.3-25 μm的光谱大体被分解为三个波段，交由超材料织物中的不同级次响应，最终实现紫外、可见-近红外及中红外波段的宽光谱精准调控。

图1用于日间辐射冷却的超材料织物示意图 

研究团队将光电超材料技术与批量纤维制备技术相结合，选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸（PLA）为纤维原料，引入特定波段光学新特性，获得了均匀连续的超材料纤维（图2 a），纤维强度足以利用缝纫机在商用面料上进行任意文字和形状的绣花。在此基础上，进一步利用纺纱织造和层压技术，得到在太阳光波段（0.3-2.5 μm）具有92.4%反射率、在中红外波段（8-13 μm）具有94.5%发射率的超材料织物（图2 b）。

图2 超材料织物的表征：(a) 超材料纤维照片; (b) 超材料织物照片

革新的织物技术通过分级形态设计，是材料-光学-纺织技术的跨领域多学科协同创新。经严格的测试，在无源输入条件下，超材料织物可实现全天低于环境温度2-10℃的良好制冷效果（图3）。借助大气透明窗口（8-13 μm）增强热量与外部寒冷空间的热交换，并对整个太阳辐射波段（0.3-2.5 μm）实现高效的阻挡。

图3 超材料织物的降温性能测试：(a) 测试装置示意图和样品照片，比例尺5 cm; (b) 超材料织物24小时连续制冷性能测试曲线图（广州，2020年12月5-6日）

绿色环保、柔软亲肤、舒适透气的超材料织物不仅具有良好的日夜辐射制冷能力，且在正午时间段的模拟人体测试中（广州，2020年11月28日），超材料织物所覆盖的模拟皮肤相较于棉、氨纶、雪纺、麻这一系列同色商业面料可低5-7 °C（图4）。同时，研究团队对比了北面、狼爪、哥伦比亚、骆驼、蕉下多个国内外知名品牌的防晒衣（广州，2020年11月30日），超材料织物可低3-7℃（图5）。在模拟汽车测试中（广州，2020年12月7日），覆盖超材料织物的模拟汽车内部温度相较于覆盖市售车罩的汽车温差超过27 °C（图6），相较于空白汽车温差高达30 °C，展现卓越的降温性能。

图4 超材料织物与商用织物降温性能对比测试：(a) 测试装置示意图和样品照片，比例尺10 cm; (b) 超材料织物制冷性能对比测试曲线图（广州，2020年11月28日）

图5 超材料织物与不同品牌防晒衣性能对比测试：(a) 测试装置示意图和样品照片，比例尺10 cm; (b) 超材料织物制冷性能对比测试曲线图（广州，2020年11月30日）

图6 超材料织物与商用市售车罩降温性能对比测试：(a) 模拟汽车实物及红外照片; (b) 制冷性能对比测试曲线图（广州，2020年12月7日）

与此同时，研究团队制作一半棉、一半超材料织物的自制背心进行实际人体皮肤测试，相较于商用白色棉织物，其最高降温可超过4 °C（广州，2020年12月7日）。后续研究团队与2020年12月13日在西双版纳再次进行测试（图7 a与视频1），并用红外相机记录全程的温度变化情况，测试结束后脱下背心，志愿者前胸左右两边呈现明显温差（图7 b）。此外，研究团队在考虑人体汗液蒸发的情况下，进行超材料织物与棉的降温测试（天津，2021年5月5日），整个过程中保持连续的水分蒸发，超材料织物下的模拟皮肤相较于棉可低~4 ℃。超材料织物在阳光直射的室外环境下展现了显著降温效果，如同无源轻便地随身空调，给使用者极大的凉爽舒适感。

图7 阳光暴晒下超材料织物的实用性能表征。 (a) 超材料织物人体降温测试照片; (b) 超材料织物人体降温测试红外图

视频1：超材料织物与棉在人体皮肤表面降温性能对比测试（ 西双版纳，2020年12月13日）。志愿者身着左半边为棉、右半边为超材料织物的特制背心，直面强太阳辐射照射，进行对比降温测试，过程中用红外相机实时拍摄记录温度变化情况。穿衣前人体皮肤温度保持均匀，半小时后脱下背心，皮肤左右两边表面呈现出明显温差，超材料织物(右)所覆盖的皮肤表面相较于棉(左)可低~3°C。

独一无二多级结构设计是研究团队在物理上的长久心血，这项技术对多尺度的光学层级结构进行优化，有效调谐超材料织物在太阳光谱上精准的光学响应，并将黑体辐射达到极限，展现了相较于以往工作更优异的功能。同时，对随机结构超材料的再创造并没有提高制备难度及设备成本，可以与整个成熟纺织行业相兼容。且具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征，适合大规模推广制备和产业化应用。

重大意义

“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军。”此技术对于热量失衡的地球而言具有重大意义，不仅可无源地满足人们对于户外场景的需求，还可以大规模量产，在生活和工作中无障碍地推广使用，在不同国家与地区为不同肤色的人提供服务。同时，超材料织物的主要材料是环境友好且生物可降解的，这意味着即使在年产百万吨的情况下，也不会对环境造成负担。

成本方面，一件成衣的制造成本价往往仅为商品售价的十分之一，研究团队将新材料引入纤维内部，纤维成本仅增加10%左右，这意味着一件超材料织物成衣相较于普通成衣的成本增加仅在1%左右，在这种极小的成本差异下却能带来优异的降温性能，可造福每个有防护降温需求的人。超材料织物具有面料所拥有的一切特点，触感柔软亲肤，舒适透气。纤维或织物形态可通过刺绣、裁剪和缝纫融入到我们日常生活的相关商业产品中，普适性强；并且在实际使用时能适应任意物体表面，比如防晒服、帐篷、汽车罩、伞或保护任何暴露在天空下、受到阳光伤害的人和物体。超材料织物的主要目标人群包括运动员、警察、清洁工、快递员和医护工作者们。

如今，为应对COVID-19，全世界大量医护工作者穿戴闷热的口罩与防护服，为人们进行病毒检测和疫苗注射，白衣天使们为抗击疫情强忍不适。目前，研发团队已将超材料织物初步应用于口罩和防护服，与传统医用防护材料相比，防护用降温纺织品材料成功实现了户外的有效降温，进一步研发后有望在保持防护服防护的基础上让医护工作者具有更好的热舒适。零能耗光学超材料制冷织物从纺织业出发，服务各行各业。

研发过程

整个项目起源于三年前，一位投资人来到陶光明教授办公室，希望陶教授研发可以耐洗涤的防晒衣。起初陶教授认为防晒衣的研发并不属于基础研究的工作范畴，因此多次婉拒。在该投资人多次来访交流后，陶教授开始思考如何在关系到国计民生的国民经济支柱产业之一纺织业方面做一些科技创新的工作。之后在国家相关科技项目的支持下开始了热管理织物项目的探索研究，后进一步与浙江大学的马耀光教授开展合作，携手合作一起思考社会需求背后的科技创新需求：作为光学科学家，我们是否能够通过光的引导和操纵完成对微环境的热调控，从而实现高效热管理，赋予防晒衣全新的功能。

图8 陶光明教授（左）和马耀光教授（右）照片

在2019年12月，中国纺织科学研究院成立了智能织物工作室，并邀请陶光明教授担任工作室主任。2020年年初，一场新冠肺炎疫情突如其来，席卷华夏大地。在党中央的领导下，全国人民万众一心全面打响了一场防控疫情的全民战“疫”。除了抗疫一线，绝大多数的科研工作和学术活动基本停滞，尤其是华中科技大学的所在地武汉市，更是在全国的帮助下与疫魔的胶着对垒，艰苦鏖战。在这样的背景下，为继续推动学术研究工作，在2020年5月18日陶光明教授安排当时的研究生一年级学生曾少宁等前往中国纺织科学研究院武清分院投入技术的攻关研发中。浙江大学马耀光教授团队提出一种全新的随机结构超材料的的分级结构思路，当时的浙江大学一年级博士生片思杰，对数以百计的材料进行了测量表征，并通过大量数据仿真对选材进行验证。多单位的联合研究团队从辐射制冷原理和服用聚合物材料特性研究出发，对纺丝、纺纱、织造整个工艺流程进行探索和调控，以匹配纤维力学性能和织物服用性能的要求。在纺丝工艺上，如何从材料选择入手、调整参数以兼顾纤维内部复合结构设计和其力学性能，是遇到的一大难点，小型化的工业设备不像实验室设备可以任意定制改装，且并非只需要一小部分的实用样品就可以满足需求，而是要在批量连续制备的前提下，完成工艺的调控。在纺纱织造工艺上，需要满足超材料纤维的个性化参数，以实现稳定的、高可穿戴性能的织造，这个过程研究团队借助纺织厂的设备，同时向多位资深的职工讨教经验，逐点击破困难。

在跨多学科的交叉协同创新下，团队最终实现了从“一颗聚合物颗粒”到“一卷超材料面料”的长链条征程。在2020年11月中旬，以曾少宁同学和片思杰同学为代表的团队成员们已经完成了对超材料织物原理和实验的探索工作，并搭建科学严谨的降温测试装置，在天津和武汉等地分别进行初步测试。由于当时北方的温度和太阳辐照度已经不足以展现超材料织物的优异性能，团队将阵地转移到广州，后续又追着阳光去往美丽的西双版纳，同时验证了超材料织物在各个地域都保持优异的降温性能。正式研发和测试过程历时1年左右，团队成员带着超材料织物游遍了中国的大江南北，在武汉、杭州、温州、苏州、无锡、天津、青岛、潍坊、广州、西双版纳等地进行实验和测试，集各方的支持与力量，最终完成这个独具创新的工作。除了论文中所公开的测试结果，团队还进行了近三十款知名品牌的防晒衣和凉感服的对比测试，同时对降温口罩的初步样品也进行对比测试，相比之下超材料织物具有优异的性能，可以在多种场景中广泛应用。

在2021年5月，在山东青岛举办的首届高等学校科技创新大会上，零能耗光学超材料制冷织物项目受邀参加高校科技创新成果展（华中科技大学仅两项），为建党100周年献礼（图9）。

图 9 零能耗光学超材料制冷织物项目受邀参加高校科技创新成果展。陶光明教授（右）和学生曾少宁（左）照片

整个项目从最初的研发启动到有望推广到实际应用中历时三年。项目前后得到了浙江大学杨青教授、武汉纺织大学夏治刚教授、青岛大学田明伟教授、华中科技大学陈敏教授、杨旅云教授、周军教授、周华民教授、中国纺织科学研究院、山东赛动新能源科技有限公司等研发团队的指导与帮助。从项目开始至今，受到了产业界和各大投资人的广泛认可，吸引包括化纤制造、纺纱纺织、时尚服装、医疗健康、智能可穿戴等众多不同方向的行业巨头，并且已经与国内外多家主流企业开始对接交流合作。

图10 部分实验平台：(a) 化学纤维制造设备照片；(b) 纺纱织造设备照片。

在整个探索过程中，团队遇到过各类大大小小、不计其数的困难与挫折。突如其来的疫情也使得团队措手不及，研究进度被打断，工作推动产生巨大影响。但这段时间，也使得每天忙于实验工作的学生们有了静下心思考和沉淀的机会。学生们在家里整理实验数据，深入阅读文献、布局专利、撰写项目材料，提升自己，也是抗疫期间全国人民齐心协力的一种体现。学科交叉融合已成为当前科学技术发展的重大特征，从本项目的研究过程中，我们也深刻的体会到辐射制冷不仅仅是一个纯粹的物理概念，它可以成为一种技术或产品，赋予于每一个人。

为更好地服务于产业，满足人民生活需求，团队也已经通过编织等方式丰富超材料织物的色彩和图案。事实上，在工艺上很容易地可以实现对纤维或织物的任意染色，但从物理原理层面，物体颜色过深会导致吸收增强，因此当人们对于降温具有高需求时，希望尽量避开对阳光的吸收以减小能量输入，所以该领域的大多工作所涉及材料都是浅色偏白的。当然，除了成熟纺织业的染整方法，还可以通过设计结构色在丰富颜色的同时避免增加吸收。此外，当面向实际应用时，人体并不是所有部分都被强太阳光直射，因此在非直射区域（无需防护降温部分），可以通过美学设计、纺纱编织等方法在保证有效制冷的情况下，丰富颜色和图案。超材料织物的制冷性能已经接近极限，在物理层面的更进一步或许需要考虑新物理规律、新的结构、新材料和新的设计。百尺竿头，团队下一步的工作将竭尽所能投入到与COVID-19战斗的战线中，致力于医护工作者的防护，同时努力与制造业合作，完成量产的重大任务，利用科技创新赋能产业升级，打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业。

团队介绍

华中科技大学陶光明教授带领的先进功能纤维研究中心（Center for Advanced Functional Fibers, CAFF）致力于多材料特种光纤、面向腔内精准微创手术的柔性纤维医疗机器人以及康养全场景的智能织物技术等跨学科研究工作。CAFF团队坚持“四个面向”，旨在将具有不同的电、光、热和机械性能的材料集成到具有复杂结构和多种功能的单个纤维中，为在多个领域中的扩展应用提供新的机会，使纤维在未来更加无缝地融入日常生活。课题组目前已形成一支包含博士生、硕士生、本科生、技术工程师、专职科研秘书等在内的完整科研梯队，已搭建具有国际一流水准的智能纤维制造科研平台。陶教授在加入华中科技大学后，带领的科研团队在相关领域发表了一系列的工作：制备了一种轻质防水、柔软舒适、彩色的智能织物[ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 19015-19022 (2020)]，可对皮肤实现零能耗的保暖和智能温度调控。可在满足人体热舒适性需求的同时减少能源消耗，进一步推动经济环保的可穿戴技术和舒适节能的织物产业发展。陶教授与华中科技大学陈敏教授团队合作，构建了一个全面、可持续的健康监测生态系统[IEEE Network 34, 156-163 (2020)]，创造出无感知、柔性化、适应性强新一代智能传感材料，为用户提供高体验度的认知功能服务。并提出了一种新型的基于人工智能的第一视角机器人体系结构[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]，通过构建情绪矫正的学习评价模型采用强化学习算法实现了可穿戴机器人辅助的面向自闭症儿童的环境感知和表达增强机制。同时研发了可穿戴情感机器人Fitbot [IEEE Access, 6, 64766-64776 (2018)]，在满足时尚要求的基础上能在精神层面有效改善人类健康。针对负能量信息对人们精神健康的危害问题，设计了一个负向信息的度量系统用于监测用户在海量信息影响下的心理健康状况[ACM Transactions on Internet Technology, to appear (2021)]。通过利用可穿戴设备其中包括脑可穿戴、可穿戴衣物、智能配件等智能传感实现对精神状态的认知，为解决心理健康问题提供有效的参考。此外，陶教授与青岛大学田明伟教授团队合作，在柔性致动器方面提出了一种基于电信号-可视化信号双通道耦合信号反馈的自感应功能集成方案[Nano Energy 76, 104926 (2020)]。在应力感知电子织物方面，构筑了“电阻式/电容式一体化”全纺织基拉力/压力双感传感织物，系统地研究了多尺度双感知阵列结构纺织品的传感响应规律，实现了竞技运动员动作与受力的同步监测[Nano Energy 85, 105941 (2021)]。（课题组网站：http://gtaolab.com/；课题组公众号：GTaoLab）

浙江大学马耀光教授带领的纳米光学团队（NanoOptics@ZJU）主要研究方向为介观尺度光与物质相互作用，以及微/纳米技术在光电系统中的应用。包括超构材料与超构表面器件、微纳光器件、非线性光学器件等方面。研究方向跨越了多学科的界限，涵盖了低维光子结构的基础科学探索、工程设计、制造和表征并积极追求科研成果在日常生活中的应用方向。近年来在包括Science, Adv. Opt. Photon.等国际重要学术期刊上发表40余篇高影响力学术论文。马教授的科研工作曾被Nature, Science, Nature Photonics等多个学术期刊与福布斯(The Forbes)、经济学人(Economists)、科学美国人(Scientific American)等百余家专业新闻媒体报道，其中，马教授2017年在科罗拉多大学工作时发表的辐射制冷薄膜论文是世界上最早实现可批量制备的日间辐射制冷材料之一。该项工作入选英国物理协会(IOP)旗下 Physics World 杂志评选“Breakthrough of the Year 2017”。马耀光团队的工作还包括可调谐半导体纳米线激光器(ACS Nano, 13 (9), 9965-9972 (2019)；Advanced Optical Materials, 7, 1900275 (2019))、半导体纳米线生物探针(ACS Photonics 3, 1762–1767 (2016))、二维材料器件及物理(ACS Nano 8, 2584-2589 (2014), Scientific Reports 5, 8440 (2015))、超分辨显微术(Laser & Photonics Reviews 1900011. (2020). )等。个人主页（https://person.zju.edu.cn/myg）

项目负责人

陶光明，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院双聘教授、博士生导师、华中学者特聘岗教授、人机智能交互联合实验室主任。陶教授致力于研究多材料特种光纤、面向腔内精准微创手术的柔性纤维医疗机器人以及康养全场景的智能织物技术等跨学科研究工作，先后在Science (1), Nature (2), Proc. Natl. Acad. Sci. (2)等国际学术杂志发表论文60余篇，拥有已授权国际/国内发明专利近20项、申请国家发明专利近60项（其中专利许可转让9项）。陶教授为国家自然科学基金委面上项目、之江实验室重大科研项目和陈嘉庚青年科学奖等科技项目担任评审专家、任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国纺织科学研究院智能织物工作室主任、中国光学学会红外与光电器件专业委员会委员、中国红外医学产业技术创新战略联盟独立委员、湖北省硅酸盐学会理事、激光与光电子学进展期刊编委、Advanced Fiber Materials期刊副主编等。

马耀光，浙江大学百人计划研究员、博士生导师。光电学院光电工程所书记、副所长。研究方向为介观尺度光与物质相互作用，以及微/纳米技术在光电系统中的应用。包括超构材料与超构表面器件、微纳光器件、非线性光学器件等方面。近年来在包括Science(2), Adv. Opt. Photon.国际重要学术期刊上发表40余篇高影响力学术论文，多篇为ESI高被引论文；拥有已授权国际/国内发明专利十余项。马教授为国家自然科学基金委面上项目、浙江省自然科学基金、之江实验室科研项目等科技项目担任评审专家。马教授曾获得2018年获得中国仪器仪表协会金国藩青年学子奖。2020年起担任《中国科学：技术科学》青年编委。

原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484#BIBL

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