南大&斯坦福 Nature Nanotechnology：基于纳米加工蚕丝的低温日间辐射冷却纺织品

【背景介绍】

减少能源消耗对可持续发展至关重要。由于人类舒适度的温度调节会消耗大量能量，因此目前大量的研究工作致力于开发能够在不消耗任何能量的情况下为人体降温的被动式个人热管理策略。尽管之前已经提出了各种冷却纺织品设计，但是尚未实现基于纺织品的白天辐射冷却至环境温度以下。众所周知，蚕丝是一种由蛾毛虫生产的天然蛋白质织物，以其闪亮的外观和对皮肤的清凉舒适感而闻名。最近，人们认识到蚕丝的光学特性源于其分层微观结构，可能是探索白天辐射冷却的一个有希望的起点。然而，蛋白质在紫外线区域的内在吸收阻止了天然蚕丝在阳光下实现净冷却。
【成果简介】

近日，南京大学朱嘉教授和斯坦福大学范汕洄教授（共同通讯作者）等人报道了一种通过分子键合设计和可伸缩耦合试剂辅助浸涂方法来探索蚕丝的纳米加工，并且证明纳米加工的蚕丝可以实现亚环境日间辐射冷却。作者以四丁基钛酸酯作为耦合试剂，促进氧化铝纳米颗粒（Al₂O₃ NPs）通过耦合反应与蚕丝纤维的耦合。其中，四丁基钛酸酯不仅可以与Al₂O₃表面的羟基形成氢键，而且可以减少Al₂O₃颗粒的聚集。同时，四丁基钛酸酯还可以与蚕丝的氨基酸形成强的共价键。因此，通过分子键合设计策略可以使得Al₂O₃颗粒与蚕丝间形成了强的键合力与良好的粘合性。此外，在阳光直射下（峰值太阳辐照度>900 W m^-2），作者观察到了独立纳米加工蚕丝的温度低于环境温度约3.5 °C（环境温度约为35 °C）。对比天然蚕丝，涂有纳米加工蚕丝的模拟皮肤温度降低了8 °C。这种纳米加工蚕丝的低温日间辐射冷却是在不影响其耐磨性和舒适性的情况下实现的。这种通过可扩展的纳米加工技术定制天然织物的策略为实现温度调节材料开辟了新途径，并且为可持续能源提供了创新途径。研究成果以题为“Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文解读】

图一、纳米加工蚕丝的低温日间辐射冷却设计
（a）由于在紫外线区域的高吸收，天然蚕丝的净加热性能示意图；

（b）蚕丝蛋白分子对紫外线的吸收示意图；

（c）天然蚕丝在0.3-2.5 μm波长范围内的反射光谱；

（d）通过增强紫外线反射率的纳米加工蚕丝的净冷却性能示意图；

（e）具有增强抗紫外线性能的纳米加工蚕丝的示意图；

（f）纳米加工蚕丝在0.3-2.5 μm波长范围内的反射光谱。

图二、纳米加工蚕丝的制备与表征
（a）模拟蚕丝中Al₂O₃颗粒在0.3-0.42 μm波长范围内归一化散射效率，粒径从0.1-0.5 μm不等；

（b）制备纳米加工蚕丝的示意图；

（c-d）天然蚕丝和纳米加工蚕丝的FTIR和XPS光谱；

（e）纳米加工丝织物的照片；

（f）具有清晰可见的Al₂O₃颗粒的单个纳米加工丝纱的高倍SEM图像；

（g）拉伸和加捻后经和未经TT处理的纳米加工丝织物的光学图像；

（h）纳米加工蚕丝在0.3-18 μm波长范围内的反射光谱。

图三、测量天然和纳米加工蚕丝的辐射冷却性能
（a）用于测量加利福尼亚州斯坦福市丝织物辐射冷却性能的辐射冷却装置示意图；

（b）测试地点的地形和气象信息；

（c）天然蚕丝、纳米加工蚕丝（NP-silk）和环境空气的温度数据，以及太阳辐照度；

（d）环境空气与天然蚕丝、环境空气与纳米加工蚕丝之间的温差。

图四、穿着纳米加工蚕丝的热测量及其可穿戴性能
（a）斯坦福大学用于在阳光下对模拟皮肤进行热测量的装置照片；

（b）一个增加温度以模拟人体皮肤的加热器、一个测量模拟皮肤温度的热电偶和覆盖模拟皮肤的纺织品样品示意图；

（c-d）在斯坦福市的阳光下，裸露的模拟皮肤和覆盖有棉花、天然蚕丝或纳米加工蚕丝的模拟皮肤在4 h内的太阳辐照度和温度数据；

（e）在南京阳光下穿着由纳米加工蚕丝、天然蚕丝和棉花制成的衬衫的人的红外图像和光学照片；

（f）随时间测量的不同纺织品的水蒸气透过率；

（g）不同纺织品的芯吸距离，显示了它们输送汗水以实现快速蒸发的能力。

【小结】

综上所述，天然蚕丝在紫外线波长区域的强烈吸收阻止了它实现低于环境的辐射冷却性能。作者证明了通过分子键合设计策略和可扩展的浸涂方法，纳米加工的蚕丝在白天可以达到低于环境温度约3.5 ℃，当覆盖模拟皮肤时，可以将皮肤温度降低约8 ℃。在阳光直射下，具有与天然蚕丝相似的舒适性和耐磨性。在阳光直射下实现的低温辐射冷却效果意味着，当皮肤直接暴露在环境温度下时，与这种纳米加工蚕丝接触时，皮肤将获得相同的清凉感，或者更好的感受。作者认为这种通过方便和可扩展的过程定制天然材料的策略不仅可以为个人热管理提供可持续的节能方法，而且还可以激发开发被动冷却材料和设备以降低能耗的新途径。

文献链接：Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk. Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00987-0.

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.