南航李秀强教授课题组Nano Letters: 自清洁Janus面料，实现高效温度调控

能源挑战：热管理技术转型迫在眉睫

全球极端气候事件频发，长期暴露于高温环境将显著提升高热惊厥、皮肤老化及中暑等健康风险，而寒冷环境则通过代偿性产热机制对人类代谢产生剧烈影响。目前，室内气候控制高度依赖能源密集型暖通空调系统，其能耗占全球总能耗的近50%，进一步加剧了能源危机与温室效应问题。与此同时，作为人类活动与工业运行的核心场景，室外空间却因传统热管理技术存在能耗高、效率低且便携性差等问题，长期面临温度调控的技术瓶颈。开发具备双向热调节功能的被动式智能纺织品，可能成为一种极具潜力的解决方案。

创新性突破：具有自清洁功能的双模式热管理织物

本研究开发出兼具高效光学性能与自清洁能力的双功能Janus薄膜材料（简称TOC）。相关工作以“A Self-Cleaning Janus Textile for Highly Efficient Heating and Cooling Management” 为题发表在期刊《Nano letters》上。

图1：具有优异光学特性和自清洁能力的双模材料示意图

光学性能

Janus薄膜材料具有双功能特性，其加热面通过嵌入铜纳米颗粒实现了95.5%的太阳光吸收率和89.1%的中红外反射率；冷却面则基于多孔P(VdF-HFP)HP材料，可实现96.4%的太阳光反射率和95.3%的中红外发射率。

图2. 材料的制备流程及光学性能

室内外测试性能

为全面评估TOC材料的双向热调控能力，研究团队分别在室内和室外环境下开展了系统性实验。在室内实验中，研究团队在恒温恒湿环境（22 ℃、50%湿度）下，利用太阳模拟器提供稳定的辐射源（500 W/m²，AM1.5G光谱）。实验数据显示（图3c），TOC材料在制冷模式下的表面温度比白色棉织物低10 ℃，比模拟皮肤低20 ℃；而在制热模式下，其表面温度较黑色棉织物提升18.4 ℃，较模拟皮肤升温20.4 ℃。在室外实验中，研究团队选取南京典型气象条件，采用模拟人体热特征的硅胶表皮进行连续5小时的户外测试。晴好天气条件下（图3e），TOC材料在制冷模式下较白色棉基底降温10.6 ℃，实现了4.5 ℃的亚环境冷却效果；在制热模式下，其表面温度较黑色棉织物升温16 ℃，相对环境温度提升了41.1 ℃。即使在多云环境下（图3h），TOC材料仍展现出优异的热调控性能。

图3. Janus薄膜室内和室外测试性能

帐篷等场景实测结果分析

为验证TOC材料在户外装备中的实际应用价值，研究团队设计并搭建了一顶帐篷原型，并进行了连续2小时的露天性能测试。在晴好天气条件下（图4d，f），当TOC材料的加热面朝外时，帐篷内部温度相较于黑色棉帐篷提升了12.2 ℃，实现了19.56 ℃的环境温升效果；而将TOC材料的冷却面朝外时，帐篷内部温度相较于白色棉帐篷降低了7.91 ℃，实现了6.55 ℃的亚环境冷却效果。即使在低辐照多云条件下（图4e，f），TOC材料依然表现出显著的优势。

图4. 帐篷应用室外测试

自清洁性能

面对雨水渗透、油污附着等复杂环境的挑战，TOC材料表现出卓越的全方位防护性能。接触角测试结果表明，其加热面与冷却面对水、牛奶、果汁等多种液体均展现出良好的疏水性，接触角最高可达127.27°（图5a）。在墨水防渗实验中（图5b，c），液滴在冷却面和加热面上均能保持稳定的疏水特性。抗油污测试结果显示（图5d），食用油在倾斜表面上能够迅速滑落且无残留。此外，污泥污染实验（图5e）进一步验证了该材料的自清洁能力，仅需简单冲洗即可恢复表面洁净状态。

图5. Janus薄膜自清洁性能测试

小结

这项研究通过材料结构设计与纳米光子学优化，成功开发出一种具备自清洁功能的双面Janus智能纺织品。该材料的加热面实现了95.5%的太阳光吸收率和89.1%的中红外反射率，而冷却面则分别达到了96.4%的太阳光反射率和95.3%的中红外发射率。经过30次洗涤测试，其性能未出现任何衰减。户外实验结果表明，在加热模式下，该纺织品可使温度较环境温度提升41.1℃；在冷却模式下，可降低温度4.5℃，相较于传统棉纺织品，其温控范围扩大了26.6℃。此外，该材料集防水、防油、防污三重防护功能于一体，为户外装备的设计提供了创新性的解决方案。

来源：高分子科学前沿

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