崔屹教授团队攻克新型纳米织物染色难题丨CellPress对话科学家

随着科技的发展，人们对于衣物的需求也在日新月异：不但要美观、舒适，还要具备功能性。近年来，科学家们对于“保温、降温”衣物的研发取得了很大进展，通过衣物实现热管理，提升人体舒适度，同时节约建筑物能耗。斯坦福大学崔屹教授团队一直致力于该领域的研究，已经在基于聚乙烯材料在红外透明室内降温衣物、低红外发射率保温衣物、室外降温衣物、双模式降温/保温等方面取得了一系列成果。

最近，崔屹教授团队又获得了一项新的科研突破：在保留聚乙烯材料独特红外透明性能的同时，成功在红外透明纳米衣物上实现了不同的颜色外观，并解决了染色的均匀性和稳定性的问题。这项研究于3月21日以"Temperature Regulation in Colored Infrared-Transparent Polyethylene Textiles" 为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊 Joule（《焦耳》）上。

针对该研究的主要亮点以及新型纳米织物的科研进展及商业化前景等，Cell Press邀请崔屹教授接受了专访。

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新型红外纳米衣物的染色一直面临着一大难题：传统的有机染料通常会有不同种类的化学键，这些化学键会强烈吸收中红外波段的人体辐射，从而大大降低红外透过率。同时，聚乙烯的化学惰性和缺少极性化学键的特点，也使得化学染料在其表面的粘附变得十分困难。

崔屹教授团队使用无机纳米颗粒作为聚乙烯材料的染料，成功实现了对聚乙烯的染色，同时又保留了其独特的红外透明性能。通过无机纳米颗粒和熔融的聚乙烯混合，也解决了染色的均匀性和稳定性问题。而该研究的另一个亮点即成功实现了不同颜色的红外纳米衣物染色，染色之后呈现的颜色与传统织物的色彩一样美观。作为染料的普鲁士蓝、三氧化二铁、硅的纳米颗粒同时满足了无红外吸收、无毒和低成本的要求。这三种染料分别可以产生蓝、红、黄这三种颜料三原色，通过混合，其他的颜色也能很容易获得。

图1   (a) 辐射降温织物的染色示意图 (b) 选用的无机染料粉末的照片 (c) 选用的无机染料颗粒和传统有机染料的FTIR吸收光谱比较。 (d) 普鲁士蓝, (e) Fe2O3 及 (f) 硅纳米颗粒的SEM照片

在该篇论文中，崔屹教授团队还介绍了染色聚乙烯的工业级拉丝及纺织。通过大规模混料、挤出、纺织出的织物产品不仅有80%的红外透过率，与普通棉织物相比还有1.6°C~1.8°C的降温效率，在多次洗涤后仍可保持良好的稳定性。这项工作解决了辐射降温衣物染色的瓶颈问题，并为辐射降温织物的实际应用及商业化打下了坚实的基础。

图2   (a) 通过工业挤出工艺制造的染色聚乙烯纤维的照片 (b) 拉伸强度测试证明了染色的聚乙烯纤维和棉有相当的拉伸强度。 (c)蓝色普鲁士蓝-聚乙烯, (d) 红色Fe2O3-聚乙烯 和 (e) 黄色硅-聚乙烯的光学显微镜照片 (f – h) 通过光学显微镜展示的编织图案 (i – k) 有着良好可穿戴性的编织织物照片

关于崔屹教授

崔屹教授现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授，美国湾区光伏联盟共同主任和电池500联盟共同主任。他1998年本科毕业于中国科技大学应用化学系；1998-2002年就读于哈佛大学化学系并获得博士学位；2003-2005年在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；2005年加盟斯坦福大学。2004年崔屹教授获得世界顶尖青年发明家奖，2014年被路透社评为世界排名第一的材料学家，2015年入选英国皇家化学会会士，2016年入选美国材料学会会士，2017年被授予美国Blavatnik国家奖，2018年入选电化学学会会士。崔屹教授目前在美国的专利申请超过50项，他的三项技术（2016新型冷却布料、2014新型热电池、2010纳米电击杀菌）曾分别三次被《科学美国》评为“十大改变世界的技术”。目前，崔屹教授带领着一个大约50人的博士、博士后研究团队，从事纳米、新材料、新能源及环境保护和生物科学的研究。

作者专访

Cell Press：您的团队一直在进行纳米织物材料的研究，并在全球顶级学术期刊上发表过多篇论文。此次发表在Joule上的研究，您认为主要的突破点在哪里？对于纳米织物材料的科研进展有何重要意义？

崔屹教授：此次研究的主要突破点在于在不影响聚乙烯材料红外透明性质的情况下，在红外透明纳米衣物上实现了不同的颜色外观。这是在实际应用中需要解决的一大难题。我们通过对无机纳米颗粒的巧妙筛选和使用，成功实现了对聚乙烯材料的均匀性和稳定性染色，并保留了其独特的红外透明性能。这项工作为辐射降温织物的实际应用及商业化打下了坚实的基础。同时，此次研究中复合材料的设计也为新型多功能纳米织物的研究提供了一个新思路。

Cell Press：在对聚乙烯材料进行染色的研究过程中，您的团队是否也遇到了一些需要克服的难点？最终是如何解决的？

崔屹教授：我们在研究过程中需要克服的难点主要在于，除了研究同时具有红外透明和可见光颜色这一特殊的光学性质，还要考虑到织物在实际应用中的可穿性、规模化生产、安全性、稳定性和经济性等因素。对基础性质和实际性能的综合考虑，给我们的纳米织物研究设计带来了更多的限制和困难。我们的团队基于之前对纳米材料的研究积累，创新性提出了选取无机纳米颗粒用于染色，并将其混合包覆于聚乙烯中。这一设计很好地解决了这些难题。

Cell Press：您认为该染色方法的商业化前景如何？从经济性以及大规模推广的可能性来看，是否也具备优势？

崔屹教授：通过无机纳米颗粒和熔融的聚乙烯混合的染色方法，具备了利用工业化的拉丝及纺织技术进行纳米织物大规模生产的优势，同时解决了染色的均匀性和稳定性的问题。从原料的经济性上看，仅需要很少量的纳米颗粒，而聚乙烯又是一种很常用的聚合物材料，所以我认为这一研究具有良好的商业化前景。

Cell Press：您的团队针对纳米织物材料下一步的研究方向是什么？计划达成怎样的目标？

崔屹教授：下一步的研究方向是在纳米织物材料上实现更多前所未有的功能，同时推动新型纳米织物的商业化发展。目标是在不久的将来，辐射降温织物等新型纳米织物能走进我们的实际生活中，为大家创造出更节能舒适的穿戴材料。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Temperature Regulation in Colored Infrared-Transparent Polyethylene Textile

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30085-6

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.02.005

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