入选ACS Photonics封面文章:受人体皮肤启发的辐射制冷织物

哈尔滨工业大学青年教师程子明及博士生张鑫平，针对目前辐射制冷技术在追求双波段(太阳波段和大气窗口波段)光学特性和兼容多种应用功能需求之间的权衡与挑战，受人体皮肤表皮层和真皮层结构的高效光学性能和防水透气性能启发，成功设计并制备出一种具有超高光学特性且兼具良好透气性耐久性和柔韧性的高效仿生辐射制冷织物。通过引入光子板状孔效应，实现了比Mie共振更强的后向散射。通过简单且可规模化的浸染工艺，制备出了具有97%太阳光反射率和97%大气窗口发射率的仿生辐射制冷织物。户外测试表明，该制冷织物温度明显低于市面上无纺布、涤纶、亚麻布等白色布料，该织物在日间实现平均低于环境温度5.2°C的温降；穿戴使用该制冷织物制成的帽子，人体头顶部温度可比戴白色棉帽温度低5.0°C；该制冷织物可广泛应用到户外帐篷、车衣等领域。相关研究结果已发表在ACS Photonics，并被期刊主编遴选为期刊封面文章。

论文信息：

XinPing Zhang†, Ziming Cheng†, Dongling Yang, Yan Dong, Xuhang Shi, Huaxu Liang, Fuqiang Wang*, Han Han, Weifeng Meng, Yong Shuai, Yuying Yan. Scalable bio-skin inspired radiative cooling metafabric for breaking trade-off between optical properties and application requirements. ACS Photonics 2023, (in press).

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241

研究背景

日间辐射制冷（PDRC）技术是一种环境友好型的零能耗被动式制冷技术，能够有效减少当前人类用于制冷的能源消耗，从而缓解能源与环境危机，具有广阔的应用前景。PDRC的主要技术指标是实现超高的太阳光谱反射率和超高的大气窗口发射率，同时在某些特殊的应用场景中（如服装、帐篷等），需要考虑透气性、防水性、柔韧性、强度和耐久性等性能。而目前的辐射制冷织物虽然能够满足实际应用中的防水透气需求，但光学特性相对较差。因此，打破超高双波段光学特性与多种应用需求之间的兼容壁垒是PDRC面临的一大挑战。

人体皮肤(表皮和真皮层)是一个近乎完美的红外发射器件，得益于以下三种生物组织结构：表皮层的褶皱微结构，真皮层含有的三维交错排列的胶原纤维及表皮层和真皮层中都存在的微米孔。人体皮肤的大气窗口红外发射率可达97%，是医学热成像中红外发射率的最高记录。除了散热功能外，人体皮肤的表皮层还能保护人体免受紫外线的伤害。此外，人类皮肤在透气性、防水性和柔韧性方面具有优异的表现。

设计思路

受人体皮肤(表皮和真皮层)的启发，本文提出了一种适用于PDRC的双波段光学特性定向设计策略，使用了具有微米粒子、板状等级孔、仿生褶皱微结构及交错排列的纤维。通过模仿人体皮肤(表皮和真皮层)的微观结构，获得了超高的大气窗口发射率和优异的柔性与强度。基于电磁理论设计了板状等级孔，与球形孔激发的Mie共振相比，板状等级孔能表现出强烈的后向散射和超高的太阳光谱反射率。此外，优化的板状等级孔还具备防水透气性。通过简单、可规模化的浸染工艺，即可制备出一种高效的仿生辐射制冷织物。该织物的太阳光谱反射率和大气窗口发射率均可达到97%，并且表现出优异的透气性、防水性、柔韧性、强度和耐久性。

图1 受人体皮肤启发的仿生辐射制冷织物的理论设计

图2 仿生辐射制冷织物的制备与表征

实验测试

在甘肃敦煌测试了仿生辐射制冷织物的户外降温性能。在超过24小时的连续测量期间，仿生辐射制冷织物始终保持低于环境温度的温度。仿生辐射制冷织物实现了日间(6:30-21:00)和夜间(21:00-6:30)低于环境5.2°C和8.1°C的平均降温。此外，仿生辐射制冷织物在日间可实现最多低于环境温度12.6°C的降温。我们还对仿生辐射制冷织物与其他白色织物进行了温度对比测试。在午间12:00 - 16:00的太阳辐照下，仿生辐射制冷织物的平均温度分别比棉、无纺布、涤纶和亚麻布低7.9°C、7.5°C、8.6°C和8.4°C。

图3 仿生辐射制冷织物的户外降温测试

应用探索

这种仿生辐射制冷织物可以被制成可穿戴产品，如帽子、口罩和衣服，用于炎热的天气的个人热管理。在太阳直射下，穿戴仿生辐射制冷织物帽子时人体头顶部温度比戴黑色和白色棉帽时温度分别低16.6°C和5.0°C。在另一项测试中，将仿生辐射制冷织物制成了一个迷你帐篷。与传统露营帐篷(聚氨酯)和帆布帐篷相比，仿生辐射制冷织物帐篷顶部表面的温度分别降低21.6°C和30.3°C，而帐篷空腔内空气的最大降温分别为17.2°C和24.4°C。在1小时的汽车模型室外降温测试中，被仿生辐射制冷织物覆盖的汽车模型的腔体内最高温度比不覆盖任何织物的汽车模型温度低32.9℃，比覆盖聚氨酯（含银基底）的汽车模型低12.9℃。

图4 仿生辐射制冷织物的潜在应用场景

总结与讨论

通过引入光子板状孔效应，并从人体皮肤表皮层和真皮层中获得灵感，本文提出了一种高效的PDRC双波段光学性能设计策略。通过简单且可规模化的浸染工艺，制备了仿生辐射制冷织物，并获得了超高的双波段光学性能和优异的实际应用性能。精心设计的板状等级孔在仿生辐射制冷织物中表现出比Mie共振更强的后向散射，尺寸优化后的板状等级孔能够提供良好的透气性和防水性能。该工作可为借鉴仿生思想、构建双波段热辐射调控机制的研究提供新思路。

作者简介

程子明，哈尔滨工业大学（威海）讲师。分别于2018年、2022年在哈尔滨工业大学获得硕士、博士学位， 2021年3月至2022年3月于英国诺丁汉大学进行联合培养。主要从事多波段光谱辐射调控、辐射制冷、太阳能全光谱高效利用等领域的研究工作。以第一/通讯作者发表Nano Energy、Int J Heat Mass Trans等国内外高水平期刊论文13篇，授权发明专利4项（转化1项），研究成果获国际仿生创新二等奖、威海市自然科学一等奖等。

张鑫平，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院博士生，导师为王富强教授，主要从事微纳尺度辐射调控研究，已发表SCI收录学术论文10篇，其中的2篇论文（以第一作者发表）分别入选Advanced Optical Materials和ACS Photonics封面文章。申请、授权发明专利3项。曾获省优秀学生、国家奖学金、哈尔滨工业大学春晖创新成果奖、马祖光奖学金等奖项。

热辐射与微纳光子学

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吴小虎

山东高等技术研究院教授

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