圖片來源:Brooke Cagle/Unsplash

納米新物料散熱擋熱 比傳統物料可使身體降溫近 5°C

要設計一件在炎熱夏日仍保持涼爽的衣服比想像中困難得多。不過,最新刊於《科學》的研究指,已設計出一種看起來像日常 T 恤的面料,穿上後可使身體降溫近 5°C 。如大規模生產,將可以幫助全球人口保護自己免受氣候變化引致的溫升影響。

為了製作能夠抵禦高溫的服飾,時裝設計師通常使用反射可見太陽光的淺色面料。但另一種方法是反射太陽的電磁輻射,當中包括紫外線 (ultraviolet, UV) 和近紅外線 (near-infrared,NIR) 。 NIR 會加熱將之吸收的物體,並在物體發射 NIR 時慢慢冷卻物體。然而,這種冷卻過程受大氣層影響:從物體發出後, NIR 通常被附近的水分子吸收,從而加熱周圍的空氣。

為了加快冷卻過程,學界正轉向研究中紅外線輻射 (mid-infrared radiation, MIR),這是一種波長較長的紅外線。其能量不會被周圍空氣中的分子吸收,而是直接進入太空,冷卻物體及其周圍環境。相關技術被稱為「輻射冷卻」,在過去十年中不同工程師都加以利用 MIR 來設計屋頂、塑膠薄膜和超白塗層等等。

與衣服不同,人類皮膚會自然發出 MIR 。 2017 年,史丹福大學團隊設計了一種織物,可以讓人體中的 MIR 直接穿過,使穿著者的表面溫度降低約 3°C 。然而,這種物料要起作用必須非常薄,只可厚 45 微米,或大部份麻質衫厚度的三分之一,這導致一些學者質疑該物料的耐用性。

為了設計更厚的面料,浙江大學工程師馬耀光和華中科技大學光學與電子訊息學院教授陶光明的團隊採取了截然不同的方法,無讓皮膚中的 MIR 直接穿過物料,而是設計了一種織物,使用化學鍵吸收身體熱能並將之以 MIR 形式重新發射到太空中。

該織物由聚乳酸和合成纖維混合製成,並散佈著二氧化鈦納米粒,厚約 550 微米,除了可發出 MIR ,亦可反射紫外線、可見光和近紅外線,進一步為穿著者降溫。陶光明形容,雖然看起來像一件普通襯衫,但光學上而言,該物料是一面鏡子。

為了測試該物料,團隊製造了一件緊身背心,左右兩邊一邊由新物料製成,另一邊由厚度大致相同的白棉製成,並由一名研究生穿上背心,在陽光直射下坐在草坪椅上 1 小時。

當團隊測量該研究生皮膚溫度時,發現新物料下的那一面比棉布下的涼了近 5°C ,該學生亦感受到兩邊的溫差。

研究生穿上特製背心後 1 小時的紅外線映像,發現圖右新物料一邊(藍色)的體溫明顯低穿上傳統物料的一邊。 Credit: Zeng, S.N. & et. al. (2021).

領導之前研究的史丹福物料科學家崔屹認為是次研究很有趣,但他補充指,由於 MIR 發射技術迄今為止一直用於經常朝天的靜止表面,因此是次團隊應該測量人站立或行走時織物的冷卻效果。崔屹亦想知道這種面料在寬鬆的情況下是否也能發揮作用,因為該物料的冷卻元素依賴與皮膚的緊密接觸。麻省理工學院機械工程師 Evelyn Wang 也有相似擔憂,但她指出研究表明輻射冷卻領域取得了快速進展。

馬耀光團隊現正聯絡紡織品製造商和服裝公司,讓該物料製造的服飾可在市場上購買得到。他們指出,這種注入納米材料的織物製造成本只會比典型物料增加 10% 左右。

來源:
Science, New ‘mirror’ fabric can cool wearers by nearly 5°C, 8 July 2021

報告:
Zeng, S.N., Pian, S.J., Su, M.Y. & et al. (2021). Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling. Science 08 Jul 2021: eabi5484. DOI: 10.1126/science.abi5484

文/Alan Chiu

編輯推介

    發表意見