這種貼身穿著的神奇“布料”不依賴制冷劑，也不用需要暖寶寶里鐵粉的氧化反應(yīng)，只需厚度為幾十微米的薄薄一層，就可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式的輻射換熱：正面穿，可以最大限度減少人體對(duì)外的熱輻射，實(shí)現(xiàn)體表保溫；反面穿，最大限度增加人體對(duì)外輻射，比常規(guī)衣物明顯涼快得多。

圖 | 崔屹團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來的“布料”貼身穿著時(shí)的示意圖

這塊布料為什么會(huì)這么神奇呢？這要從人體維持體溫的原理說起。

作為一種恒溫動(dòng)物，人是通過體內(nèi)產(chǎn)熱和體表散熱的動(dòng)態(tài)平衡來維持合理的體溫的。所謂的體內(nèi)產(chǎn)熱，就是通過類似于燃燒燃料的方法，消耗葡萄糖等能量物質(zhì)產(chǎn)生熱量；而散熱則包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱三種形式。

其中，人體靜止時(shí)，有 40%-60% 的散熱量是通過向外輻射紅外線實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)周圍的環(huán)境溫度低于人體溫度時(shí)，人體便可以把熱量以電磁波（主要是紅外線）的形式向外輻射。

因此，在維持體溫的動(dòng)態(tài)平衡中，如果輻射的熱量大于體內(nèi)產(chǎn)熱，人就會(huì)降溫；而如果輻射的熱量小于體內(nèi)的產(chǎn)熱，則會(huì)升溫。

而輻射量的高低，主要取決于“輻射率”。輻射率是一個(gè)物體表面的固有屬性，輻射率高，輻射出的能量就多；而輻射率低，通過熱輻射帶走的能量就少。因此，如果可以控制輻射率，讓它在需要放熱的時(shí)候變高，需要降溫的時(shí)候變低，就可以改變?nèi)梭w對(duì)外輻射熱量的多少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衣物幫助人體保溫還是散熱的調(diào)控。崔屹團(tuán)隊(duì)的神奇發(fā)明，利用的就是輻射率決定輻射量、而輻射量決定體表是升溫還是降溫的原理。

崔屹團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“布料”——人體輻射式加熱/制冷雙模織物（dual-mode textile for human body radiative heating and cooling，簡(jiǎn)稱雙?？椢铮偣灿扇N材料構(gòu)成：

在上下兩層，為對(duì)紅外波段的熱輻射幾乎“透明”的納米聚乙烯基底。兩層納米聚乙烯中間，夾著一個(gè)雙層輻射體，由輻射率超高的碳薄層，和輻射率超低的銅薄層組成。

圖丨相對(duì)粗糙和多孔的碳層有著很高的輻射率

圖丨相對(duì)光滑的銅層輻射率就要低很多

由于貼身穿著，不管任何織物，貼著皮膚的內(nèi)層主要的傳熱方式是熱傳導(dǎo)。因此，內(nèi)層材料的輻射率對(duì)織物整體的輻射率幾乎沒有影響——織物的輻射率主要取決于織物的外層材料。大部分的常規(guī)衣服面料的輻射率都在 0.8 左右，這個(gè)數(shù)字意味著它們只能以固定的散熱量來為人體提供保溫：

在雙?？椢锏碾p層輻射體中，碳層的輻射率高達(dá) 0.9（輻射率的理論上限為 1），意味當(dāng)它朝外時(shí)，輻射散失的熱量會(huì)大于體內(nèi)的產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致體表溫度的下降：

而銅層的輻射率則只有 0.3。因此，當(dāng)這一層朝外時(shí)，輻射散失的熱量會(huì)小于體內(nèi)的產(chǎn)熱，從而起到比常規(guī)織物好得多的保溫效果：

為了驗(yàn)證雙?？椢锏男Ч芯咳藛T做了如下的實(shí)驗(yàn)：

在 22.0°C 的環(huán)境溫度下，一個(gè)用來模擬人體體表的電加熱器以 51 W/m2 的功率產(chǎn)生著熱量。當(dāng)加熱器“穿”上一件普通針織衫的時(shí)候，其表面溫度（模擬衣服下面的人體體表溫度）為 36.9°C。換上雙?？椢锖螅紝映鈺r(shí)，其溫度下降到了 33.8°C，比普通織物低了 3.1°C；而當(dāng)銅層朝外時(shí)，溫度升高到了 40.3°C，比普通織物高出 3.4°C！不同穿著方式造成的溫差高達(dá) 6.5°C！

事實(shí)上，在去年，崔屹團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用納米多孔聚乙烯制作可以降溫的織物。但用同一塊布，正反面穿著卻有著不同的效果，這還是第一次。他們的成果已經(jīng)于近日發(fā)表在了《SCIENCE ADVANCES》雜志上。對(duì)于崔屹團(tuán)隊(duì)來說，這不過是他們發(fā)表的又一篇頂級(jí)期刊論文，但對(duì)于紡織業(yè)、服裝業(yè)來說，卻可能是具有特殊意義的一次技術(shù)突破。

首先，這是一件不需要消耗額外能源、不需要精密自動(dòng)化控制，卻可以實(shí)現(xiàn)“全天候”保持溫度舒適任務(wù)的衣服。不論是早上的陰冷還是溫暖的午后，它都可以提供全時(shí)段、全溫段的服務(wù)，而不用總是“及時(shí)增減衣物”，或糾結(jié)于“二四八月亂穿衣”。當(dāng)然啦，崔屹團(tuán)隊(duì)表示，如果配合上帶有電源的可穿戴設(shè)備，他們可以讓衣服變得更加智能、可控。

其次，這還是一種廉價(jià)的技術(shù)。其中用量最大的材料聚乙烯，是非常常見的日常材料，常用于制作保鮮膜、食品包裝等日用品。

也許在未來，我們就不用消耗那么多能源去維持所有的室內(nèi)溫度了。人人只需要穿著薄薄的一件衣服，就可以完美維持體表的溫度和濕度。這種有些科幻片都不一定敢想象的場(chǎng)景，正在被科學(xué)家們變成現(xiàn)實(shí)。

但在那一步前，崔屹他們的神奇布料要克服的實(shí)際應(yīng)用障礙還有很多。比如，他們尚不能對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。還有，作為一件衣服，雙模織物需要證明自己足夠耐磨、耐洗。最后，大家剁手買衣服的時(shí)候，溫度的需要經(jīng)常讓位給風(fēng)度。戶外衣物的面料科技含量再高，銷量最好的面料還是純棉、毛料等傳統(tǒng)質(zhì)地。

不過，時(shí)尚的潮流總是說變就變，或許過不了多長(zhǎng)時(shí)間，微米級(jí)別厚度、可以同時(shí)御寒和散熱、甚至可以精確調(diào)控溫度的衣服，實(shí)現(xiàn)科技與時(shí)尚的完美統(tǒng)一。

-End-

校審：黃珊

參考

Robert F. Service. This fabric can give you your own personal climate-control system. Nov. 10, 2017. http://www.sciencemag.org/news/2017/11/fabric-can-give-you-your-own-personal-climate-control-system

HSU P, LIU C, SONG A Y. A dual-mode textile for human body radiative heating and Cooling. SCIENCE ADVANCES, (2017)

J. D. Hardy, E. F. DuBois, Regulation of heat loss from the human body. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 23, 624–631 (1937)..

P.-C. Hsu, A. Y. Song, P. B. Catrysse, C. Liu, Y. Peng, J. Xie, S. Fan, Y. Cui, Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science 353, 1019–1023 (2016)

能量代謝與體溫生理學(xué). https://wenku.baidu.com/view/e3c2cd8da0116c175f0e481d.html