芝加哥大学Science：抵御城市热岛效应的辐射制冷织物

第一作者：吴荣辉，隋忱汐

通讯作者：徐伯均

文章DOI: 10.1126/science.adl0653

图为通讯作者徐伯均（右），隋忱汐（左）。

图为作者吴荣辉（右），隋忱汐（左）在亚利桑那沙漠测试织物制冷效果的照片。

城市热岛效应已经成为影响人体健康的重要问题，并且加剧了全球变暖的影响。这种现象会导致各种与高温相关的疾病，如心血管疾病、呼吸道疾病、神经系统疾病和中暑等。城市中的建筑物和地面吸收的太阳热量比自然景观（如草地、树木和水体）更多，并将热量释放到周围环境，这是造成城市热岛效应的主要原因之一。这不仅会加剧热浪，增加患病和死亡的风险，还会影响能源消耗、空气质量和城市生态系统。

目前，全球超过一半的人口居住在城市。预计到2050年，全球城市化水平将从2022年的57%增加到68%，这意味着未来会有更多人暴露在城市热岛效应中，面临极端高温带来的风险。因此，采取措施应对城市热岛效应对现代社会至关重要。

一种具有前景的方法是使用辐射冷却纺织品来进行人体热管理。这些纺织品通过向外太空发射热量并反射太阳辐射已经展示了出色的被动辐射冷却性能。然而，这些研究中通常没有考虑到来自地面和城市结构的热量增益。目前，辐射冷却纺织品通常设计为在整个中 红外区域（MIR）广泛发射热量，并假设它们有无障碍的天空视野。因此，它们的冷却性能（包括冷却功率和温度降低）通常是针对水平使用情况设计的。然而，一个被服装全部覆盖的站立的的人身上约97%的纺织品是垂直使用的，只有很小一部分（不到3%）是水平的，如帽子、肩部布料和鞋盖。因此，在现实场景中，这些服装的视野中有50%被地面遮挡，而在有建筑物和其他基础设施的城市中，这一比例甚至更高。

这些城市设施在强烈的太阳辐射下，可以达到超过70℃的高温，并发出大量热量。例如，在亚利桑那州阿帕奇交界处的热成像图显示，城市地表物体的温度远高于人体皮肤，从而成为人体的热源。根据基尔霍夫定律，热平衡时发射率等于吸收率。换句话说，宽带发射纺织品的冷却性能常常会被周围环境的热辐射大大削弱。为了在更现实的场景中实现高冷却性能，应设计在大气传输窗口（ATW）波长范围8~13μm内具有主导发射的光谱选择性发射纺织品，同时抑制所有非ATW的地面或建筑物的寄生热。这一概念由Mandal等人提出用于建筑外墙，但在人体制冷中实现同样的设计并不容易。人体制冷织物需要满足可穿戴性、透气性和柔韧性的严格要求，同时还需要进行复杂的光学工程设计以适应人体-纺织品微气候的复杂性。

图为文章作者合成的辐射制冷织物。

鉴于此，芝加哥大学的徐伯均、吴荣辉和隋忱汐等人，设计了一种中红外（MIR）光谱选择性的分层纺织品（SSHF），具有2.23的高ATW光谱选择性比和0.85的平均ATW发射率，可以在城市环境中提供显著的冷却效果。SSHF在ATW区域的高发射率使其能够将热量辐射到外太空，而在非ATW区域的高反射率（低吸收率）则尽量减少从周围热的地面或建筑物吸收的热量。它由聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层、银纳米线（AgNWs）和羊毛织物组成。表面的PMP纤维在静电纺丝过程中由于溶剂的逐步挥发，具有宽范围的直径分布，从而实现了覆盖整个太阳光谱的宽带散射效率。PMP仅含有C-C（954-1004 cm^-1）、-CH₂（1176-1241 cm^-1）、-CH（862-881 cm^-1）和-CH₃（931 cm^-1）键，因此在ATW范围内表现出高吸收率，是一种很有潜力的选择性发射体。中间的AgNW层在整个MIR区域具有高反射率，防止城市基础设施的红外线传递到人体。底部的羊毛织物是宽带发射体，通过纺织品和皮肤之间的空气间隙吸收人体皮肤的热辐射，并通过AgNW层进一步将热量传导到顶部的PMP织物。

图一：光谱选择性纺织品在垂直方向纺织品中的辐射冷却概念及其优势。

图二：PMP织物的中红外光谱选择性和太阳反射率。

SSHFF的多孔结构提供了良好的透气性，促进了汗液的自然扩散和对流进行冷却。与棉和羊毛织物相比，其PMP织物具有更高的水汽透过率。SSHF在拉伸测试中表现出强大而耐用的机械性能，且经过重复拉伸后依然保持优异的性能。顶部PMP织物的疏水性赋予其自洁性，确保长时间的使用不受影响。此外，SSHF具有出色的耐洗性和抗汗水性，佩戴4天后仍然舒适。经过加速耐久性测试，SSHFF的性能保持稳定，且对紫外线老化的抵抗力也很高。这些杰出的特性表明，SSHFF具有良好的耐用性和可穿戴性。

图三：光谱选择性分层织物的结构和可穿戴特性。

图四：辐射制冷织物和各种常见纺织样品的户外热测量。

我们在亚利桑那州阿帕奇交界和伊利诺伊州芝加哥展示了SSHF的户外辐射冷却性能，通过直接的热测量来进行验证。为确保准确和均匀的测量，我们使用热敏电阻贴在铜板上，实时监测纺织品的温度，并使用聚苯乙烯泡沫进行热隔离。为了减少阳光吸收，我们用铝箔和银镜膜完全遮挡了整个装置，除了样品区域。我们对垂直和水平样品测量了温度，对于水平测试，我们将装置向西倾斜15°。在亚帕奇交界，SSHF在晴朗天空下始终表现出比环境温度更低的温度，甚至在夜间，其平均低于环境温度12.6℃。即使在白天，当受到1010W/m²的太阳强度照射时，SSHF仍然保持了6.2℃的大温度降。在芝加哥，即使在高相对湿度（约70%）的情况下，SSHF的白天温度降仍然达到了2.5℃。通过与商业化纺织品的比较，我们发现SSHF的温度较低，这归因于其能够将热量释放到外太空，同时选择性地阻挡来自地面的热辐射。在模拟热地面条件下的白天和夜间测量中，SSHF表现出比太阳反射的宽带发射器低2.3℃ 和0.2℃。此外，SSHF在仿真人体代谢热条件下仍然表现出优越的冷却性能。在志愿者身上进行的实际佩戴测试中，SSHF比棉织品的温度低了约1.8℃，进一步验证了其在城市环境中的佩戴冷却效果。

图五：在不同城市场景下，比较SSHF、宽带和理想选择性发射器的制冷功率。

小结：

我们开发了一种光谱工程层次结构纺织品，具有在大气窗口（ATW）内向外表面选择性发射的特性，并在内表面具有宽带发射特性。在ATW区域的高发射率使SSHF的表面能够将热量辐射到外太空，而在非ATW区域的高反射率（低吸收率）则最大限度地减少了来自周围热地面或建筑物的热量吸收。同时，纺织品内表面的高宽带发射率使其能够吸收人体辐射的代谢热，并将热量传导到外表面层进行选择性发射。由于纳米-微米混合纤维结构的强Mie散射，SSHF还具有0.97的高太阳光谱反射率。在户外热测量中，SSHF在1010 W/m²的峰值太阳强度下，温度显著下降了约6.2°C。此外，在模拟城市环境中，SSHF在白天和夜间分别比具有太阳反射功能的宽带发射器低2.3°C和0.2°C。SSHF还具有出色的透气性、可洗性、耐久性、强机械性能和抗紫外老化性能。通过对人体与环境之间热传导的综合分析，这种针对垂直方向纺织品的选择性光谱设计，为应对城市热岛效应提供了一种创新且有效的被动个人冷却解决方案，不仅有助于减少空调能耗，还能预防与热相关的健康问题。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0653

作者简介

徐伯均博士, 芝加哥大学普利兹克分子工程学院的助理教授。徐教授在国立清华大学获得学士学位，在斯坦福大学获得材料科学与工程博士学位，并在斯坦福大学机械工程系担任博士后研究员。在加入芝加哥大学分子工程学院之前，他于2019年至2022年担任杜克大学机械工程与材料科学系助理教授。他获得了NSF CAREER奖（2022年）、Ralph E. Powe初级教师提升奖（2021年）、MIT滚球体育 评论中国35岁以下创新者奖（2020年）和索尼教师创新奖（2019年）。他的博士论文项目“冷却纺织品”被《科学美国人》评为世界十大改变世界的创意之一。目前，他担任《Nano Letters》早期职业顾问委员会主席和《EcoMat》早期职业顾问委员会成员。

吴荣辉，现为芝加哥大学博士后研究员。博士毕业于东华大学。主要从事功能及智能纤维材料，辐射制冷智能纺织品，介观掺杂蚕丝蛋白质及其电子材料，微流体技术的研究和开发，以及可穿戴纤维传感器、自供电生理信号检测器件、织物基能量转换和能量储存器件的开发和应用。已在Science, Nature Chemical Engineering, Advanced materials, EcoMat等国内外知名期刊上发表论文，H因子22，授权专利13项，已成功转让5项。担任国产高起点期刊InfoMat, Nano Research Energy青年编委。

隋忱汐，现为芝加哥大学的五年级博士生（导师为徐伯均教授）。本科毕业于武汉大学物理系，2018年期间赴加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）机械工程系担任研究助理（导师为廖浡霖教授）。主要研究领域包括传热学、光子学，电化学和人工智能的实验和计算研究，及其在能源和可持续性方面的应用。已经在Science、Nature Sustainability、Nature Communication、Science Advances、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters等期刊发表论文。曾获得美国材料研究协会（MRS）研究生奖（2023年）、国家优秀自费留学生奖学金（2023年）和纳米能源研究学术新星金奖（2023年）。