深大、港理工、浙理工合作AM：新型光热织物，用于可穿戴太阳能收集

在极寒户外环境中维持人体热舒适与生理热平衡，对于体育运动、休闲活动、医疗保健及特殊职业等至关重要。鉴于太阳辐射在户外环境中近乎普适且具有高能量密度，开发高效的光热转换纺织品以利用环境太阳能，成为应对这一挑战的关键策略。然而，目前用于纺织品的光热材料，如碳基材料、金属纳米颗粒和金属氧化物等，通常具有宽带太阳光吸收特性，导致其外观呈现特征性的深色。这为实现户外运动服装的鲜艳色彩带来了显著挑战，极大地限制了其审美吸引力。如何在保持高效光热性能的同时，赋予织物丰富的色彩，成为该领域亟待解决的核心难题。

为解决上述挑战，深圳大学王元丰副教授、香港理工大学Chen Jianming助理教授和浙江理工大学王训该教授合作，开发了一种新型不改变织物颜色的光热材料，并将其集成到织物上，制备出创新的光热服装。该研究利用窄带隙有机半导体IEICO-4F，通过简单的溶液浸涂法，在极低的负载量（0.25 g/m²）下，即可实现显著的光热升温效果。在1000 W/m²的模拟太阳光照射下，仅需5分钟，该织物便能实现4°C至8°C的温升。更重要的是，IEICO-4F在近红外区域具有强吸收，能高效地将辐射能转化为热能，同时因在可见光区域的高反射率而完美保留了织物的原始视觉颜色。此外，这种光热材料不仅不损害织物的原有功能，还能赋予其优异的抗菌性能，为户外活动提供了良好的卫生保障。相关论文以“Chromatic-Invariant Photothermal Fabrics Enabled by Narrow-Bandgap Organic Semiconductors for Wearable Solar Energy Harvesting”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 不变色光热织物示意图，该织物由窄带隙有机半导体实现，用于可穿戴太阳能收集。

研究团队首先通过分子设计，比较了两种结构相似的共轭化合物IEIC-4F和IEICO-4F。理论计算与实验表明，IEICO-4F中引入的含氧桥端基使其带隙更窄，吸收峰从IEIC-4F的770纳米红移至863纳米，更宽的太阳光谱响应范围使其光热性能更优。光致发光量子产率测试结果证实，IEICO-4F薄膜的量子产率低至0.31%，远低于IEIC-4F的1.01%，表明其非辐射衰变增强，从而更有利于产热。分子动力学模拟进一步揭示，IEICO-4F中氧原子的引入降低了空间位阻，赋予了分子更大的构象灵活性，促进了非辐射衰变，为其优异的光热性能提供了理论依据。

图2 (a) IEIC-4F和IEICO-4F优化后的基态几何结构。(b) IEIC-4F和(c) IEICO-4F计算得到的LUMO和HOMO能级。(d) IEIC-4F和(e) IEICO-4F的三维结构示意图。(f) 根据分子动力学模拟得到的聚集态中IEIC-4F和IEICO-4F的二面角分布。(g) IEIC-4F和IEICO-4F结构的分子动力学模拟。

示意图1 IEIC-4F 与 IEICO-4F 的合成路线。

进一步的研究证实了IEICO-4F的快速升温能力。在激光照射下，固态IEICO-4F能在30秒内迅速升温至180°C以上，其光热转换效率高达41.3%，略高于IEIC-4F的40.7%。通过浸涂法制备的IEICO-4F棉织物在1000 W/m²模拟太阳光下展现出卓越的光热性能，5分钟内温度即可升至近60°C，远高于空白棉织物和IEIC-4F处理织物。尤为重要的是，这种光热效果具有颜色不变性，处理后的深色和浅色织物在模拟日光照射下，其温度均显著高于对照样，且颜色变化极小（色差值ΔE在0.71至2.85之间），完美解决了传统光热材料颜色单一的局限。

图3 (a) IEIC-4F和(b) IEICO-4F在激光照射（0.3 W/cm²）下的固体光热性能。(c) 空白棉布、IEIC-4F@棉布和IEICO-4F@棉布在标准模拟太阳光（1000 W/m²）照射下的光热性能。(d) IEICO-4F@棉布在太阳光照射下活性氧的产生机制示意图。

在保持织物原有特性方面，IEICO-4F处理后的织物表现出色。扫描电子显微镜图像显示，处理后的棉纤维表面仅覆盖了极薄的涂层，未改变纤维的原始形貌和孔隙结构。该织物的透气性、透湿性、拉伸强度以及接触角等关键性能指标与原始棉织物相比均无明显变化。耐洗性测试表明，经过多次洗涤后，织物中的IEICO-4F并未显著脱落，展现出良好的稳定性。这些结果表明，该光热涂层在不牺牲织物原有舒适性和耐用性的前提下，成功赋予了其新的功能。

图4 (a) 不同颜色织物在一个标准太阳光照射下的情况（温度是三次实验的平均值），图像由热成像仪捕捉，温度值由热电偶记录。(b) 水在棉织物上的接触角图像。(c) 空白棉织物和IEICO-4F@棉织物在20000倍和5000倍放大倍数下的扫描电子显微镜图像。(d) IEICO-4F@棉织物在洗涤剂中搅拌（65°C下搅拌10次，每次30分钟）的照片。(e) 搅拌前后洗涤剂的吸收光谱。(f) 空白棉织物和IEICO-4F@棉织物的拉伸曲线。

该光热织物还展现出优异的光诱导抗菌性能。电子自旋共振光谱测试证实，在光照下，IEICO-4F棉织物能有效产生超氧自由基和羟基自由基。抗菌实验结果显示，在模拟太阳光照射下，该织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别高达95.3%和81.7%，且在五个循环使用周期后性能保持稳定。即使在较低光照强度（300 W/m²）下，该织物依然能保持超过90%的金黄色葡萄球菌抑制率，展示了其在弱光环境下的实用潜力。研究揭示，其抗菌机制是光热升温与活性氧协同作用的结果。

图5 (a) IEICO-4F@棉织物在暗处和照射20分钟后超氧自由基和(b)羟基自由基的电子自旋共振波谱。(c) 金黄色葡萄球菌和(d) 大肠杆菌悬液在LB琼脂平板上于37°C孵育后的菌落形成单位代表性图像。(e) 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率。(f) 同一IEICO-4F@棉织物对金黄色葡萄球菌和(g)大肠杆菌的循环抗菌性能。

在实际应用场景的测试中，研究团队在香港真实太阳光下（约560 W/m²）进行了人体皮肤覆盖实验。结果显示，IEICO-4F棉织物覆盖的皮肤在5分钟后温度达到36°C，明显高于裸露皮肤和空白棉织物覆盖的皮肤。通过全球太阳能资源图，团队模拟了该织物在斯德哥尔摩、丹佛、莫斯科、北京和卡尔加里等不同气候条件下的表现。模拟数据表明，无论是在寒冷地区（如莫斯科）还是阳光充足的内陆地区（如北京），IEICO-4F棉织物均能有效提升模拟皮肤的温度，平均比空白棉织物高出4°C至6°C，展现了其广泛的应用潜力。

图6 (a) 在560 W/m²实际太阳辐射下的热成像图（香港，晴天，东风2级，湿度53%，温度25°C），图像由热成像仪捕捉，温度值由热电偶记录，以及(b) 照射5分钟后人体皮肤表面IEICO-4F@棉织物的温度值，由热电偶记录。(c) 世界太阳能资源地图。经CC-BY知识共享署名4.0国际许可协议条款改编[45]。标记点代表五个测试地点：斯德哥尔摩（瑞典）、丹佛（美国）、莫斯科（俄罗斯）、北京（中国）、卡尔加里（加拿大），插图中提供了这五个测试地点的地形信息和气象信息。(d) 斯德哥尔摩、丹佛和莫斯科的详细太阳辐射强度和环境温度。(e) 在斯德哥尔摩、丹佛和莫斯科的阳光下，空白棉布、IEIC-4F@棉布和IEICO-4F@棉布覆盖的模拟皮肤在5小时内的实时温度。

综上所述，本研究提出了一种通过将有机半导体IEICO-4F嵌入织物基材中，制备具有广泛适用性的不变色光热纺织品的新策略。该材料在保持织物原有色彩（ΔE: 0.71-2.85）的同时，仅需极低的负载量即可在5分钟内实现4°C至8°C的显著温升，并展现出优异的光诱导抗菌性能，且不影响织物的透气性和透湿性。这项工作为开发兼具功能性与美观性的可穿戴热管理织物提供了新思路。未来的研究将聚焦于进一步优化有机半导体的分子结构以增强近红外吸收，设计更先进的织物微结构，并开发更多集成功能，为下一代智能舒适服装的发展铺平道路。