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近日，苏州大学纺织与服装工程学院张克勤教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Scalable self-cooling textile enabled by hierarchical nanofiber structures with thermoelectric properties”的最新成果。作者通过简单的层压工艺制备了兼具高阳光反射率和中红外发射率的多功能超值织物，通过复合具有不同纤维分布的纤维膜制备了具有宽尺寸分布的纳米织物，并实现了人体的热管理并助力人体微环境中的热能收集。
研究亮点
1、高效冷却性能：他们开发的纳米织物在全太阳光谱范围内实现了均匀且高达0.94的太阳能反射率，同时在大气透明窗口区域具有0.94的高红外发射率，显著提升了被动日间辐射冷却（PDRC）效果。2、工业化生产潜力：通过结合二氧化硅纳米纤维膜和膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜，他们成功实现了具有分层结构的纳米织物的可扩展生产，为大规模应用奠定了基础。3、多功能应用：除了在建筑和微气候中的热调节应用外，该纳米织物还能与离子热电发生器结合，有效利用人体散发的热能，为可穿戴设备提供可持续的电力来源。PDRC技术，作为应对全球气候变化和城市热岛效应的有效策略，正受到广泛关注。随着全球气温的持续上升，建筑物在炎热的夏季会吸收大量太阳辐射，导致制冷需求急剧增加，进而加剧能源消耗和碳排放。因此，开发具有高效冷却性能的材料，已成为当前的迫切需求。PDRC材料能够通过反射阳光并有效辐射热量，尤其是在特定的光谱范围内，从而降低表面温度，减少对传统空调系统的依赖，实现节能减排。尽管现有的PDRC材料在局部应用中取得了一些进展，但在统一的生产过程中，依然存在诸多技术瓶颈。这些瓶颈主要体现在如何在整个太阳光谱范围内实现均匀且高效的反射，尤其是如何在大规模生产时维持材料的性能一致性。因此，如何提升这类材料的生产效率、降低成本并保持其性能，是学术界和工业界亟待解决的难题。在这一背景下，研究团队探索了基于二氧化硅纳米纤维膜和膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜的新型纳米织物。二氧化硅纳米纤维膜作为一种具有极高太阳反射率和红外发射率的材料，其独特的纳米结构使得织物能够有效进行热管理。同时，ePTFE膜具有优异的耐候性和机械强度，确保了材料在各种环境条件下的可靠性。通过领先的制造工艺，研究团队成功实现了一种具有层次结构的纳米织物，不仅能在高温条件下保持较低的温度，还在人体散发的热能与外部环境之间形成明显的温度梯度，进而为可穿戴热电发电设备的运行提供了充足的能量支持（如图1所示）。![]()
图1：具有多级设计和多功能热管理应用的辐射降温纺织品为了在实现高效的PDRC效果，研究团队基于Mie散射理论开发了一种新型纳米织物。该织物通过双纤维结构以优化对紫外线（UV）和可见-近红外（VIS-NIR）光的散射特性。通过将具有不同纤维直径分布的SiO2纳米纤维膜与ePTFE薄膜层压，形成了具有不同直径分布的纳米织物，实现了高达0.94的阳光反射率，从而有效提升了PDRC织物的辐射降温性能（如图2所示）。![]()
在江苏苏州的典型户外条件下，研究团队对纳米织物的户外降温性能进行了测试（图3）。实验结果显示，在正午时分，由于纳米织物具有高阳光反射率，能够实现低于环境温度2-3℃的显著降温效果。这一发现表明，该纳米织物在实际应用中具有良好的辐射冷却潜力，能够有效降低表面温度，减少热负荷。![]()
为了评估这种纳米织物在实际使用过程中的制冷能力，研究人员将其缝制到夏季凉感纺织品上和覆盖到户外木屋的屋顶，以比较其降温效果。结果显示，该纳米织物的降温性能显著优于商用凉感织物，并能够有效降低木屋屋顶温度达4 ℃。此实验结果表明，纳米织物在实际应用中具有良好的制冷潜力，能够显著提升环境舒适度。![]()
同时，研究人员利用纳米织物优异的PDRC能力，将其与依赖温度梯度收集热能的柔性热电器件组合，从而优化了在不同户外阳光条件下的热能收集效果。通过这种集成设计，纳米织物的制冷性能可以有效降低热电器件的工作温度，提高其热电转换效率。这一创新组合展示纳米织物在能源收集和转换应用中的潜在优势。![]()
研究展示了由SiO2纳米纤维膜和ePTFE薄膜组成且具有多级纤维结构的纳米织物。这些纳米织物实现了高太阳反射率和中红外热发射率，使其在个人与建筑热管理中表现优异。此外，这些纳米织物还提高了集成式柔性热电器件的功率输出能力。通过在热源和纳米织物之间维持稳定的温度梯度，它们确保了热能转换以供柔性热电器件运行。这项研究提供了一种开发大规模、层级分布纳米织物的方法，这些纳米织物具有优异的辐射冷却性能，有助于通过热能调节和低品位热能采集设备促进可持续发展。
作者简介
张克勤，苏州大学特聘教授、博士生导师。现任苏州大学纺织与服装工程学院院长，现代丝绸国家工程实验室主任。2000年12月获南京大学理学博士学位后，先后于德国马普金属研究所、新加坡国立大学、哈佛大学开展研究工作。曾在Nature, Physical Review Letters, Matter, Device, Science advances, Advanced Materials, Nature communications等国际顶级期刊发表学术论文200余篇，并三次入选全球“高被引科学家”名单；撰写学术专著5部；主持国家自然科学基金5项，参与国家重大研发计划、863等项目4次；并获得国家科技发明二等奖（2019年）一项。任美国物理学会终身会员，美国材料学会、中国功能材料学会理事等学术兼职。长期从属于纳米功能材料、纤维材料及其复合材料的应用研究。联系方式：kqzhang@suda.edu.cn
胡建臣，苏州大学副教授、硕士生导师。2013年于日本九州大学取得博士学位，就读期间课题实际完成于日本国立材料研究所（NIMS）。2014年受聘于苏州大学，现为苏州大学纺织与服装工程学院副教授。目前已在Device, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials，ACS Nano等国际知名期刊发表SCI论文30余篇，出版学术专著两部。目前主要研究方向：纺织品的非化学着色方案的开发与改进、可穿戴能源器件的纺织品评价。联系方式：hujianchen@suda.edu.cn
论文信息
Wangkai Jiang, Jin-Zhuo Liu, Zheshan Wang, Hui Wang, Xiangxiang Liu, Liqiang Wang, Xiao-Qiao Wang, Ming-Peng Zhuo, Jianchen Hu,* Ke-Qin Zhang*
Scalable self-cooling textile enabled by hierarchical nanofiber structures with thermoelectric properties. Device, 2024.
https://www.cell.com/device/abstract/S2666-9986(24)00486-1
