IF：83.3！热管理材料，最新Nature Reviews Materials综述！

光谱工程材料助力个人热调节：从实验室走向可穿戴应用

随着气候变化导致极端高温事件日益频繁，人体热管理已成为关乎健康与舒适的重要议题。目前，人们主要依赖集中式供暖、通风和空调系统来维持热舒适，但这类系统能耗极高，占建筑总能耗的40%–60%，且难以满足个体差异化的热感知需求。在此背景下，光谱工程纺织材料提供了一种低能耗乃至零能耗的替代方案——通过精准调控皮肤与环境之间的辐射热交换，实现分散式、个性化的热调节。然而，这类材料在光谱选择性、自适应可调性、环境可持续性和规模化制造方面仍面临诸多挑战，从实验室演示走向实际应用尚有距离。

南洋理工大学吴荣辉助理教授和芝加哥大学徐伯均助理教授合作，综述从多尺度结构设计的视角系统梳理了个人热调节光谱工程材料的进展，重点关注环境需求、所需光谱特性与多尺度结构之间的关系。文章总结了静态与可调热调节纺织品的关键特征与代表性实例，分析了结构特征如何决定光谱选择性与可调性，并讨论了在提高光谱选择性、自适应可调性、环境可持续性和规模化制造方面的挑战与机遇。相关论文以“Spectrally engineered materials for personal thermoregulation”为题，发表在Nature Reviews Materials上。

人体与环境的四种热交换途径中，辐射在静态或轻度活动时最为关键（图1b）。将人体皮肤-纺织品微系统视为整体，其净热功率取决于天空与地面视角因子、太阳辐照、传导对流及纺织品自身发射。与主要面向天空的屋顶辐射冷却材料不同，可穿戴纺织品同时与天空和周围地面物体交互（图1c）。站立者所穿纺织品大多垂直取向，超过50%的视角因子被建筑和地面占据。在城市场景中，随着建筑仰角和方位角增大，地面视角因子变大、天空视角因子减小（图1e），这对辐射冷却设计提出了更复杂的要求。热调节纺织品主要在三个光谱区间工作：太阳光谱（0.28–2.5 μm）、大气透明窗口（ATW，8–13 μm）以及非ATW中红外区域（2.5–8 μm、13–20 μm）。基于这些光谱区间，文章将理想化材料分为五类（图1f）：I型（太阳反射、中红外宽带发射）、II型（太阳反射、中红外选择性发射）、III型（太阳与红外全反射）、IV型（中红外透明）和V型（太阳吸收、中红外反射）。计算表明，没有单一光谱设计在所有条件下普遍最优，特别是在动态变化的热环境中（图1g）：阴天条件下I型冷却性能最强，中等辐照下II型效率最高，极端太阳暴露下III型最为有效；而V型材料在加热场景中表现最佳，且加热功率随太阳强度增强而增加。

图1 | 通过光谱工程实现的个人热调节。a，由身体产生的代谢热与环境交换引起的核心体温（Tcore）和皮肤温度（Tskin）之间的热梯度。b，人体与周围环境之间的热交换途径及其对静止裸体（左）和运动着装人体（右）总热损失的贡献。c，人体皮肤、纺织品和环境之间的热交换机制。d，城市场景中纺织品的辐射热增益由纺织品从太阳（Psun）、地面（Pground）和周围建筑（Pbuilding）吸收的热辐射以及纺织品发射的热辐射（Pemit）决定，β和φ分别为建筑仰角和方位角。e，垂直取向纺织品对地面周围（Fterr）和天空（Fsky）的视角因子作为两个建筑角的函数。f，底部：I型（太阳反射和中红外宽带发射）、II型（太阳反射和中红外选择性发射）、III型（太阳和红外波长全反射）和V型（太阳吸收和中红外反射）热调节材料的代表性光谱发射率或吸收率。顶部：太阳光谱和大气透射窗口。g，在Fsky = 0.4、Fterr = 0.6、Tamb = 303.15 K、Ttex = 306.15 K条件下，四种热调节材料在不同太阳辐照下的加热和冷却功率，其中正功率对应净加热，负功率对应净冷却。基于计算结果，太阳辐照范围分为三个区：I区，阴天条件；II区，中等辐照；III区，极端太阳暴露，如黑色虚线所示。

材料的光学特性根植于多尺度结构（图2）。在分子层面（图2a），电子能带结构决定太阳吸收，极性介电晶格振动和特定化学键的振动模式主导中红外响应，而原子极化率、自由载流子密度、氢键等二级相互作用以及结构互变共同影响全光谱响应。微观层面的相结构、结晶度、分子取向和纳米原纤网络决定光谱强度与各向异性（图2b），例如尼龙6的γ相结构可显著提高红外透射率。介观层面的多孔结构、组成异质性和表面微结构通过米氏散射等机制增强太阳反射，同时保持中红外发射（图2c）。宏观层面的纤维、纱线、织物架构以及剪纸和多层结构则决定可穿戴性、人体贴合性和整体光学响应（图2d）。这种层级耦合表明，光谱工程材料的设计需要从分子筛选到设备级工程的自下而上策略。

图2 | 光谱工程材料的多尺度结构。a，决定不同光谱范围光学特性的分子层面结构。最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）之间的能隙决定材料吸收入射太阳辐射的能力。中红外（MIR）光学响应由极性介电晶格中的相对晶格振动和特定化学键相关的振动模式决定。全光谱响应受原子或分子极化率、自由载流子密度、分子偶极子之间的二级相互作用以及结构互变影响。b，微观层面结构通过相分离结构、结晶度、聚合物链在基底上的堆积取向以及纳米原纤网络影响光学响应。c，介观架构通过组成异质性、多孔结构、表面微结构和纳米结构以及纳米纤维膜控制光学响应。d，宏观纺织架构影响光学响应，包括纤维和纱线结构、织物架构以及剪纸和多层结构。

在静态热调节材料方面，I型材料最为成熟，其太阳反射率常超过95%，中红外发射率接近1，代表性材料包括PMMA、纳米加工丝纺织品和TiO₂基超材料织物（图3a）。II型材料通过将热发射限制在大气透明窗口内，理论上可在城市高太阳辐照场景中提供比I型宽带发射器更高的冷却功率，但现有策略多依赖静电纺丝，所得非织造结构在机械鲁棒性、可洗性和耐磨性方面有限（图3b）。IV型材料以纳米多孔聚乙烯为代表，通过允许人体中红外辐射直接透射实现被动冷却，但太阳反射率仍低于I型材料（图3c）。V型加热材料则通过高太阳吸收和低中红外发射实现保温，Ti₃C₂Tₓ MXene涂层nanoPE纺织品是典型例子（图3d），但其可穿戴性和规模化制造仍是瓶颈（图3e）。

图3 | 静态冷却或加热的理想光谱和代表性光谱工程材料。a，I型（太阳反射、中红外宽带发射）材料的理想吸收率光谱及此类材料示例，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物结构、纤维丝纺织品和嵌入聚乳酸（PLA）基质中的TiO₂纳米颗粒复合材料。b，II型（太阳反射、中红外选择性发射）材料的理想吸收率光谱及代表性示例，包括基于聚(4-甲基戊烯-1)（PMP）的选择性分层织物、电纺聚乙烯氧化物（es-PEO）和聚甲醛-聚四氟乙烯（POM-PTFE）发射器。c，IV型（中红外透明材料）的理想透射光谱及代表性示例，包括红外透明尼龙6、纳米多孔聚乙烯（nanoPE）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）材料。d，V型加热材料（太阳吸收、中红外低发射率）的理想吸收率光谱及示例：Ti₃C₂Tₓ MXene涂覆的nanoPE纺织品。e，对可见光透明、在中红外范围高反射和低发射率的加热材料示意图及示例：基于银纳米线（AgNW）网络的透明辐射屏蔽（TRS）。

动态调谐材料方面，热致变色、电致变色、机械响应型和湿度响应型四种机制各有优劣（图4）。热致变色材料可实现被动自适应调节且调制幅度较大，但转变温度固定、环境依赖性强（图4a）；电致变色材料提供最精确和可逆的调控，但调制范围小、依赖外部电源且系统复杂（图4b）；机械响应型材料响应快速，但宏观变形可能影响舒适性和美观（图4c）；湿度响应型材料与纺织架构兼容性好，但依赖汗液或环境湿度触发（图4d）。不同机制可实现的光学参数调制范围差异显著（图4e）。总体而言，动态调谐材料仍处于早期开发阶段，如何在保持高光谱选择性的同时实现有效可逆调谐，是未来研究的核心挑战。

图4 | 个人热调节材料中的动态调制策略。a，基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)（pNIPAm）水凝胶的可扩展热致变色智能窗户的架构和微观结构演变，其在转变温度（τc）发生可逆相变。在τc以上，水覆盖银纳米线（AgNW）网格，导致低太阳透射率（Tsol）和高中红外发射率（εMIR）。在τc以下，水均匀分布在AgNW网格下方的pNIPAm水凝胶中，导致太阳透明状态和低εMIR。b，同a，但为可逆电致变色辐射冷却设备，其中电解质两侧的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-甲苯磺酸盐（PEDOT:Tos）层在施加电偏压下在高发射率还原态和低发射率氧化态之间切换。c，同a，但为机械响应红外反射系统，其几何形状和层间距可主动调谐，以在起皱时实现低反射率（RMIR），在拉伸时实现高RMIR。d，同a，但为湿度响应金属纤维架构，包含纤维素和三醋酸纱线，周围环绕碳纳米管（CNT），其随湿度收紧和松弛以重塑有效光学响应。e，不同机制和材料类别中各种刺激下实现的估计光学参数（中红外透射率（TMIR）和εMIR）范围。

展望未来，光谱工程热调节纺织品的发展需要在材料创新、光谱与热工程以及制造三个维度协同推进（图5a）。材料方面，应最大化单位质量散射效率，开发可加工的聚合物基中红外反射器，并通过合理分子设计实现大幅度、可逆、稳定的发射率调制。光谱与热工程方面，应设计多模式热工程协同，结合辐射、蒸发、对流和传导，同时建立更贴近实际穿着条件的标准化评估协议。制造方面，应采用自下而上的纤维、纱线和织物架构策略，发展连续湿法纺丝、熔融纺丝等可扩展技术，并推动单材料热调节结构以简化回收、提升可持续性。最终，这些进展有望催生集生理传感、能量收集与转换和自适应热调节于一体的自主可穿戴系统（图5b），为人类提供可持续、自适应和个性化的热舒适。

图5 | 光谱工程热调节纺织品的关键挑战和前景。a，通过材料创新、光谱和热工程以及应对制造挑战，迈向实用可穿戴热调节系统的未来方向。b，未来自主可穿戴系统的愿景，具有集成多功能能力，包括驱动自适应热调节的生理传感、体上能量生成和利用，以及用于个性化热管理的自适应人机界面。