高溫疲勞國內外研究現狀（華人科學家領銜研發多模態裝備）

2023-04-30 15:49:25 2

「當時雖然已經有了實驗數據，但畢竟是實驗室設備，我心裡不太確定材料是否真能對汗水水汽產生響應。於是我讓學生在背上貼一片出去跑一圈，微微出汗後孔全部打開，休息片刻之後又合上，這才確信這研究是真的成功了。」對於幾個小時前剛發表的論文，2020年「35 歲以下科技創新 35 人」（Innovators Under 35）中國榜單得主、杜克大學機械工程與材料科學系教授徐伯均回憶稱。

圖 | 徐伯均（來源：徐伯均）

讓汗斑成為過去！日前，徐伯均研發出一種新型材料，通過使用固態力學而不是電子學來打開通風口。當材料檢測到汗水時，它會打開一系列通風孔讓熱量逸出，未來有潛力作為各種類型服裝的補丁。

當地時間 12 月 15 日，他的最新論文以《金屬聚醯胺異質結構作為多模態自適應個人熱管理的水分響應制動器》（Metalized polyamide heterostructureas a moisture-responSive actuator for multimodal adaptive personal heat management）為題，發表在 Science Advances 上。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

其表示：「有些外套在腋窩有著拉鏈設計可以打開通風，但我們希望身體出汗最多的部位通風不一定是腋窩，胸部和背部需要更多的通風，如果能有全範圍的通風更好，但是打開這些區域的努力，如果有拉鏈幾乎和脫掉衣服一樣。在寒冷的天氣裡滑雪或徒步旅行的人，通常會穿好幾層衣服，有了該材料這樣他們就可在身體升溫時調整衣服吸收的熱量。」

本次設備含有由尼龍和金屬異質結構組成的水分響應皮瓣，可同時調節對流、汗液蒸發和中紅外發射，從而實現大幅快速的傳熱調節。

如開頭所述，該設備被安裝在一件市售 T 恤的背面，用於一個自願的人體受試者的戶外實驗。設備的皮瓣在開始時處於關閉狀態，當受試者開始運動大約 5 分鐘時，設備的皮瓣被完全打開。

正如預期的那樣，當受試者停止運動，汗液蒸汽完全消失時，設備的皮瓣恢復到最初的關閉狀態。這說明設備的工作效果十分良好。

（來源：Science Advances）

此次要解決的問題在於，個人熱管理紡織品和可穿戴設備，是擴大室內溫度設定範圍、降低建築能耗、為用戶健康提供舒適的局部熱環境的有效策略。

通常，用於控制傳導、對流、輻射或汗液蒸發的紡織品或可穿戴設備，可被單獨開發出來。雖然目前已經有關於多種調控的研究報導，但還不能涵蓋輻射的動態調控。

基於此，他研發出這款多模態自適應可穿戴設備。實驗結果表明，金屬層不僅在低發射率輻射加熱中起著至關重要的作用，而且可提高尼龍的水分響應驅動性能。相比傳統紡織品，研究中使用的多模態自適應機制，沒有任何電力和能量輸入，藉此製備出的自適應可穿戴設備能將熱舒適區擴大 30.7% 和 20.7%。

相比滌綸和彈性纖維混紡為代表的傳統中型面料，該原型在襟翼關閉的情況下乾燥時溫暖 16%，而在襟翼打開時潮溼時涼爽 14%。因此是一種有前途的個人熱管理新設計範式。

（來源：Science Advances）

建築能源消耗目前佔全球能源消耗的 30% 以上

建築能源消耗目前佔全球能源消耗的 30% 以上，大約佔全球溫室氣體排放的 20%。其中，有一半的能源用於建築供暖和製冷管理。此外，由於人口的快速增長和氣候變化，預計到 2050 年底，熱管理的比例將繼續以約 80% 的速度增長。近年來，創造新型解決方案來克服這一能源-健康困境已成為一個關鍵研究課題。基於智能紡織品/可穿戴設備的個人熱管理，是一種很有前途的有效策略，它可通過關注人體周圍的當地環境而非整個建築內部空間，來減少供暖、通風和空調的能源消耗。徐伯均表示，自己從 2015 年開始投入研究熱輻射在下一世代的智能衣物以及可穿戴技術的應用。其中一項特別吸引他的特點是，熱輻射的調控在理論上是可以與其他傳統方式（傳導、空氣對流、以及汗水蒸發）同時進行、相輔相成的，他將其稱之為多模態熱管理。

（來源：Science Advances）

在可穿戴技術的研究領域中，以汗水驅動的自變形材料可以藉由控制開孔的大小來調整汗水蒸發速率，可以在流汗的情況下加速蒸發製冷。然而，其保暖效果並沒有獲得提升，調控的範圍也有所局限。

本次研究受到前人的啟發，將熱輻射管理的設計理念實現在汗水驅動的自變形材料上。該團隊選用常見的尼龍作為基底，金屬薄膜作為熱輻射阻絕層，大幅提升保暖模式的絕熱效果，但在流汗的時候依然能藉由開孔進行製冷，因此有了更大的調控範圍，即可同時調節對流、中紅外發射和汗液蒸發。

在調整實驗參數的時候，他們意外發現了金屬薄膜除了作為熱輻射阻絕層之外，還能增加尼龍的開孔響應速率以及曲率，而且在金屬薄膜的厚度大約等於五十納米的時候最好。做科研，在眾多失敗的實驗當中，有符合預期的實驗結果固然很令人高興，但超出預期的結果更令人興奮。

（來源：Science Advances）

因此，該團隊與合作的團隊花了許多時間，最終以基礎的力學理論以及電腦模擬解釋了這現象。該團隊原本是以追求熱管理的效能出發，中途因為好奇心驅使發現了新的力學的現象，最後幸運的在應用以及基礎科學當中找到一個滿好的平衡點。

具體步驟如下，首先要確認理想材料應該具備的性質。自變形材料要能夠吸水膨脹，才能在流汗時向幹的一邊捲曲（原理類似於含羞草）。估算出特定曲率所需要的膨脹係數之後，該團隊可以從文獻找出適合的材料。

（來源：Science Advances）

尼龍作為最常見的紡織原料之一，又有符合要求的膨脹係數，很快就成為他們的首選。鍍了金屬之後，便是建造能控制溼度並測量曲率以及保暖製冷效果的設備，將不同參數的樣品定量比較。

為了實現多模態熱管理，尼龍層、銀層和線性三嵌共聚物納米複合材料上帶有一系列的皮瓣，這些都是經過精心設計的。其中，尼龍 -6 作為應用最廣泛的聚醯胺之一，能實現可逆的吸水和放水，進而通過吸溼膨脹實現雙鍵驅動。

具體來說，當兩側有溼度差時，尼龍襟翼會向較低的溼度彎曲，當溼度差消失時，就會恢復到原始狀態。這種溼度敏感性歸因於尼龍鏈中的醯胺（-CONH）基團，它可以與水分子形成氫鍵。

這些皮瓣的打開和關閉，可調節人體和周圍空氣之間的對流和蒸發熱交換。與其他報導水分響應材料比如納菲薄膜、氧化石墨烯薄膜，尼龍是最常見的紡織材料。其具備成本低、高穩定性和機械性能較好等特點，並具有中紅外透明度的優勢。

（來源：Science Advances）

為了將輻射熱調節納入尼龍溼度響應執行器，徐伯均在頂部表面沉積了一層銀，以實現較低的中紅外發射率。當皮瓣在乾燥狀態下關閉時，該層能有效地抑制輻射損失。

相反，當皮瓣在潮溼的條件下打開時，輻射傳熱就會增加，因為人類的皮膚接近一個完美的黑色身體。有趣的是，由於夾緊效應，正確選擇銀薄膜的厚度，可顯著提高尼龍薄膜的驅動性能。

除熱管理外，可穿戴設備的色彩設計也是實際應用的一個重要因素。為了增加可穿戴設備的可視外觀選擇，該團隊設計了一個頂部的顏色層，這種顏色層需要是中紅外透明的，以保持設計的低發射率。

（來源：Science Advances）

但是，傳統的有機染料在中紅外具有很強的吸收。為此，經過仔細分析和篩選，徐伯均發現線性三嵌共聚物與氧化銅、三氧化二鐵、Si 納米顆粒結合之後，再加上納米複合材料在中紅外中的高透射率，故此可在保持不同顏色的同時保持低發射率。

通過摻雜氧化銅、三氧化二鐵、矽納米顆粒，分別可以得到黑色、棕色和淺黃色。通過改變線性三嵌共聚物納米複合材料的濃度來調整顏色深度。同樣，該器件的彎曲性能也得到了很好的維護。

（來源：Science Advances）

可用於雪地活動、登山等運動

該設備除了可提升一般生活當中的熱舒適程度之外，這種大調控範圍的自調節材料對於雪地活動、登山、或其他運動都能找到應用。

徐伯均表示，目前該團隊的材料外觀還是非常前衛，不太能融入一般的衣物或穿戴設備。如果能縮小開孔的尺寸到肉眼難以分辨的程度，或是發展纖維版本的多模態自變形熱管理材料，可望能離實用更推進一步。目前，該團隊現在正致力於在不降低效率的情況下使通風口儘可能小，並探索使用納米複合材料的頂層，來使材料具有任何顏色且不改變其熱屬性。