芝加哥大学ACS Nano: 溶液化加工金属纳米线网络制备可穿戴透明热辐射管理

论文信息：

G. Higueros, K. Wang, C. Sui, and P. Hsu, Solution-Processed Metallic Nanowire Network for Wearable Transparent Thermal Radiation Shield, ACS Nano (2024).

第一作者：Genesis Higueros, 王可玉

通讯作者：徐伯均

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02093

研究背景

住宅和商业建筑的供暖需求导致了显著的能源消耗和有害的环境影响。个人辐射热管理纺织品通过控制材料的固有光学特性，调节穿着者的体温。被动加热纺织品抑制了辐射热损失，因此显著减少了建筑供暖系统所需的能源消耗。基于光学理论方法，设计了一种透明辐射屏蔽器（TRS），其基于银纳米线（AgNWs），可以抑制人体热量，并同时具备适用于实际纺织品的可见光透射率。我们通过实验展示了一种具有大量红外光反射率（低发射率为35％）和可见光（VIS）透明度为75％（400-800 nm）的TRS。这些结果得到了米氏散射理论和等效线网阻抗模型的充分证实，这些理论提供了基本的机制理解和指导，以实现更高性能。TRS是通过简单的溶液加工方法制备的，具有热塑性弹性体保护层，赋予了显著的拉伸能力、机械韧性和适应任何体形或物体的能力。严谨的理论策略实现了可扩展合成低发射率和可见透明的纺织品，用于个人的热舒适度。

图文导读

图1. 透明辐射屏蔽器（TRS）的设计概念和应用是针对多个空间的暖通空调能源使用。

图2. 理论考虑对于透明辐射屏蔽器（TRS）设计的重要性体现在以下几个方面：(a) 米氏理论示意图：用于描述单个银纳米线的散射现象。米氏理论是用来研究球形颗粒对光的散射和吸收特性的理论模型，对于银纳米线的散射行为提供了重要的理论基础。(b) 单个银纳米线的归一化远场散射极坐标图：这张图展示了单个银纳米线对于从左侧（180°方向）入射的光的散射情况。银纳米线表现出强烈的正向散射特性，有利于总体可见光透射率的提高。(c) 线网屏幕模型：用于描述银纳米线网络的可见光透射率和中红外光反射率。这种模型有助于理解银纳米线网络对光的传输和反射特性。(d) 中红外（8-13 μm）反射率随着纳米线间距和直径变化的关系图：该图展示了不同直径银纳米线在不同间距下的中红外光反射率。理想的中红外反射率出现在纳米线间距约为500纳米时。

图 3. 单层银纳米线网络的制备方案包括以下几个关键步骤和提案：(a) 不同直径银纳米线网络的可见光透射率比较：通过制备不同直径的银纳米线网络，并比较它们的可见光透射率，来确定最佳的直径选择。这可以通过调整溶液中的银纳米线浓度和加工条件来实现。(b) 各种纳米线间距的实验数据点：通过实验得到不同纳米线间距下银纳米线网络的性能数据，包括透明性和热辐射特性。这有助于确定最佳的纳米线间距以实现最佳的功能性能。(c) 扫描电子显微镜（SEM）图像：展示银纳米线网络的SEM图像，用于观察纳米线的形貌和排列方式，以及纳米线网络的均匀性和致密度。(d) 纳米线间距直方图：通过分析纳米线间距的直方图，确定银纳米线网络的均匀性和一致性，以确保制备的网络具有稳定的性能特性。(e) 光学图像：展示具有不同特性的银纳米线网络的光学图像，包括多层银纳米线网络的可见性比较。这些图像有助于评估网络的外观和透明度。

图4. 透明辐射屏蔽器（TRS）的合成

图5. 银纳米线（AgNW）的统计数据包括以下几个方面：(a) 银纳米线的透射电子显微镜（TEM）图像：展示了银纳米线的TEM图像，用于观察纳米线的形貌和结构特征。图像中通常包括银纳米线的直径和长度信息，以及纳米线的形状和分布状况。比例尺为200纳米。(b) 银纳米线直径的直方图：通过对TEM图像进行分析，得到银纳米线直径的分布统计数据。直方图显示了银纳米线直径的范围和频率分布，有助于了解银纳米线的直径分布情况和平均直径值。(c) 银纳米线长度的直方图：基于光学图像对SEBS基底上的银纳米线进行分析，得到银纳米线长度的分布统计数据。这些数据展示了银纳米线的长度范围和分布情况，有助于评估纳米线在基底上的均匀性和长度分布特征。

图6. 透明辐射屏蔽器（TRS）的中红外反射性能展示了以下几个方面：(a) TRS样品的热像：展示了TRS样品在扭曲和拉伸前后的热像。这些热像显示了TRS在不同形变状态下的热传递特性，评估了其对热辐射的反射效果。(b) 单个TRS样品的归一化中红外反射率：展示了单个TRS样品在不同拉伸状态下的中红外反射率。这些数据显示了TRS在拉伸过程中中红外反射性能的变化，评估了其在不同形变状态下的稳定性和性能表现。(c) TRS样品的循环拉伸测试：展示了对TRS样品进行的循环拉伸测试。这些测试有助于评估TRS的机械稳定性和可靠性，以及其在长期使用中的性能表现。(d) TRS样品的洗涤测试：展示了对TRS样品和无顶层保护涂层样品进行的洗涤测试结果。SEBS顶层保护膜有效保护了银纳米线网络，维持了TRS的性能和稳定性。(e) 15英寸×15英寸TRS样品的热像：展示了TRS样品的热像，并选择了四个任意位置进行中红外反射率的测量。这些数据评估了大尺寸TRS样品在不同区域的热反射性能。(f) 用于比较的SEBS样品的热像：展示了用于比较的原始SEBS样品的热像。通过比较，评估了TRS样品与SEBS样品在中红外反射性能上的差异和优劣。

图7. 透明辐射屏蔽器（TRS）通过最小化美观上的干扰，改善了对人体热量的抑制效果。以下是使用热像相机和摄影图像展示的TRS在不同布料上的效果：(a) 裸露的前臂：展示了裸露前臂的热像图和摄影图像。这可以作为基准，用来比较未经处理的皮肤与TRS处理后的效果。(b) 80%涤纶/20%氨纶混纺布料：展示了混纺布料的热像图和摄影图像，与TRS样品一起展示了效果。这种布料通常用于制作紧身衣物和运动服装。(c) 100%棉布料：展示了100%棉布料的热像图和摄影图像，TRS样品的纳米线间距不同（从左到右孔径逐渐增大）。

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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