01 背景介紹
城市熱島效應(yīng)因其對(duì)人體熱穩(wěn)態(tài)的影響而引起廣泛關(guān)注，加劇了全球變暖的影響。這種現(xiàn)象導(dǎo)致一系列與熱有關(guān)的疾病，包括心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和傷害。城市熱島效應(yīng)的一個(gè)主要原因是，城市基礎(chǔ)設(shè)施，如建筑物和地面，比自然景觀，如草、樹(shù)和水體，吸收了更多的太陽(yáng)輻射，并將更多的輻射重新釋放到環(huán)境中。這種影響不僅放大了導(dǎo)致更高發(fā)病率和死亡風(fēng)險(xiǎn)的熱浪，而且對(duì)能源消耗、空氣質(zhì)量和城市生態(tài)系統(tǒng)也有重大影響。隨著所有國(guó)家城市化進(jìn)程的加快，預(yù)計(jì)將從2022年的57%增長(zhǎng)到2050年的68%，全球?qū)⒂懈蟊壤娜耸艿匠鞘袩釐u效應(yīng)的影響，在不久的將來(lái)，城市地區(qū)極端高溫的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。因此，在城市熱島效應(yīng)的影響下，采取積極的措施保持健康對(duì)當(dāng)代社會(huì)至關(guān)重要。
近日，芝加哥大學(xué)徐伯鈞團(tuán)隊(duì)針對(duì)當(dāng)下全球氣溫上升用于個(gè)人熱舒適的輻射冷卻紡織品可穿戴織物的開(kāi)發(fā)取得最新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種中紅外光譜選擇性分層織物(SSHF)，其發(fā)射率在大氣透射窗口中占主導(dǎo)地位，最大限度地減少了來(lái)自周?chē)h(huán)境的凈熱增益。由于納米微雜化纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈米氏散射，SSHF具有0.97的高太陽(yáng)光譜反射率。合理的光學(xué)設(shè)計(jì)和纖維納米制造實(shí)現(xiàn)了顯著的冷卻效果：垂直放置時(shí)，SSHF比寬帶發(fā)射器低2.3°C，水平放置時(shí)比環(huán)境溫度低6.2°C。同時(shí)，SSHF還具有出色的耐磨性，包括透氣性、耐洗性、耐用性、堅(jiān)固的機(jī)械性能和抗紫外線老化性能。在對(duì)個(gè)人與環(huán)境之間的熱傳遞進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，該垂直面紡織品選擇性光譜設(shè)計(jì)引入了一種創(chuàng)新而有效的個(gè)人被動(dòng)降溫解決方案，以應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)。當(dāng)在白天垂直放置在模擬室外城市場(chǎng)景中時(shí)，SSHF比太陽(yáng)反射寬帶發(fā)射器低2.3°C，并且具有出色的可穿戴性能。研究成果以“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”為題發(fā)表在《Science》。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1.形狀穩(wěn)定、機(jī)械增強(qiáng)、3D打印機(jī)械超材料結(jié)合石墨烯氣凝膠相變材料(PCM)的原理圖設(shè)計(jì)。
由于建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施吸收和再發(fā)射太陽(yáng)輻射，城市熱島顯著影響熱舒適度并加劇與熱相關(guān)的健康問(wèn)題。傳統(tǒng)的輻射冷卻紡織品在MIR區(qū)域設(shè)計(jì)為寬帶發(fā)射器，由于周?chē)Y(jié)構(gòu)發(fā)出的熱輻射，在城市環(huán)境中效果較差。然而，SSHF織物設(shè)計(jì)用于主要在8至13 um的大氣傳輸窗口(ATW)內(nèi)發(fā)射輻射，從而最大限度地減少周?chē)h(huán)境的熱量增益并最大限度地提高冷卻性能。圖1A和1B說(shuō)明了可穿戴織物在開(kāi)放和城市環(huán)境中運(yùn)行的典型場(chǎng)景。這些紡織品的輻射冷卻性能受到其方向和周?chē)h(huán)境的顯著影響。圖1C展示了光學(xué)和紅外圖像，展示了城市結(jié)構(gòu)如何充當(dāng)熱源，從而挑戰(zhàn)傳統(tǒng)冷卻紡織品的有效性。圖1D對(duì)比了寬帶和光譜選擇性紡織品的冷卻能力，顯示了后者在高太陽(yáng)強(qiáng)度條件下的卓越性能。圖1E描述了這些紡織品在開(kāi)放場(chǎng)景中的冷卻能力，而圖1F則側(cè)重于城市環(huán)境，說(shuō)明了選擇性紡織品在這些條件下的顯著優(yōu)勢(shì)。
圖2.3D-MPGA的制作工藝。
中紅外光譜選擇性紡織品的制備需要具有主要在ATW內(nèi)振動(dòng)的特定化學(xué)鍵的材料。聚甲基戊烯(PMP)因其分子組成與所需的選擇性發(fā)射光譜非常吻合，被認(rèn)為是理想的候選材料。圖2A顯示了PMP的分子結(jié)構(gòu)，突出顯示了其選擇性鍵合特性。圖2B提供了各種聚合物發(fā)射光譜的比較分析，證明了PMP卓越的選擇比。圖2C中導(dǎo)出的PMP復(fù)折射率進(jìn)一步驗(yàn)證了其選擇性發(fā)射率的潛力。圖2D顯示了計(jì)算出的PMP發(fā)射率，與ATW顯著一致。圖2E展示了PMP與其他常見(jiàn)紡織品的選擇比和冷卻能力的比較研究，證實(shí)了其優(yōu)越的性能。通過(guò)靜電紡絲制備PMP紡織品的過(guò)程非常詳細(xì)，確保了可擴(kuò)展性和實(shí)際應(yīng)用。
圖3.GA, PGA和3D-MPGA的結(jié)構(gòu)，形態(tài)和界面分析。
SSHF的光學(xué)設(shè)計(jì)涉及多層結(jié)構(gòu)，包括PMP納米-微米混合纖維層、銀納米線(AgNW)和羊毛織物層。該設(shè)計(jì)利用多模態(tài)傳熱機(jī)制和光與物質(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)高太陽(yáng)反射率和選擇性熱發(fā)射率。圖 3A 說(shuō)明了 SSHF 的層次結(jié)構(gòu)，而圖 3B 提供了顯示纖維網(wǎng)絡(luò)的 SEM 圖像。圖 3C 中的反射光譜證實(shí)了高太陽(yáng)反射率，這對(duì)于最大限度地減少熱吸收至關(guān)重要。圖 3D 和 3E 顯示了紡織品的機(jī)械性能，包括靈活性和耐用性，這對(duì)于可穿戴應(yīng)用至關(guān)重要。圖 3F 突出顯示了 SSHF 的透氣性，這對(duì)于在各種條件下保持舒適度至關(guān)重要。
圖4.石蠟，GA, PGA和3D-MPGA的熱特性和穩(wěn)定性。
SSHF的戶外性能在模擬城市場(chǎng)景中進(jìn)行了測(cè)試，證明了其與傳統(tǒng)紡織品相比的冷卻效果。結(jié)果表明，SSHF保持了顯著較低的溫度，證明了其在實(shí)際條件下的卓越能力。圖 4A 顯示了室外熱測(cè)量的設(shè)置，而圖 4B 顯示了 SSHF 實(shí)現(xiàn)的溫度降低。圖 4C 將 SSHF 的性能與其他紡織品進(jìn)行了比較，進(jìn)一步證實(shí)了其有效性。
圖5. PGA和3D-MPGA在PCM固、液兩種狀態(tài)下抗外部機(jī)械載荷的防漏性和形狀穩(wěn)定性。
由于熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重，城市地區(qū)的輻射冷卻紡織品至關(guān)重要。作者構(gòu)建了三維(3D)理論模型，并計(jì)算了不同場(chǎng)景下建筑景觀因素對(duì)人體的影響。將視角β定義為地平線與連接紡織品和建筑物立面頂角的線之間的角度，將phi定義為建筑物底部中心和底側(cè)之間的角度（假設(shè)建筑物是對(duì)稱的）（圖5A）。從理論上比較了開(kāi)放場(chǎng)景中850 Wm-2太陽(yáng)強(qiáng)度下SSHF與寬帶結(jié)構(gòu)的冷卻能力（圖5C）。SSHF始終表現(xiàn)出比寬帶織物更高的冷卻能力。隨著β和phi均從0°增加到90°，SSHF和寬帶織物之間的冷卻功率差異進(jìn)一步從8.5 Wm-2增加到59.6 Wm-2。SSHF 的性能優(yōu)于寬帶發(fā)射器（圖5D）。
標(biāo)簽： 熱管理 點(diǎn)擊： 評(píng)論: