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一件看似尋常的“防曬服”居然登上了世界的科學(xué)雜志。記者7月9日從華中科技大學(xué)獲悉，該校陶光明教授和浙江大學(xué)馬耀光團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的“超構(gòu)織物”相關(guān)成果在美國《科學(xué)》雜志新一期發(fā)表。
“超構(gòu)織物”相關(guān)成果在美國《科學(xué)》雜志新一期發(fā)表。受訪者供圖
穿在身上像背著一面鏡子，又外掛一臺(tái)空調(diào)稱該織物為“防曬服”是種通俗的叫法，其更準(zhǔn)確的科學(xué)名稱為“零能耗光學(xué)超材料制冷織物”（簡(jiǎn)稱“超構(gòu)織物”）。用這種織物做成的防曬服，其功能又奇又颯，不僅可以實(shí)現(xiàn)防曬，而且還可以無源降溫。
陶光明教授（左）研究團(tuán)隊(duì)和馬耀光教授（右）研究團(tuán)隊(duì)。受訪者供圖
記者在陶光明教授的辦公室里親眼見到了這種“超構(gòu)織物”，它與普通的織物沒有什么區(qū)別，具有顏色和花紋。陶教授笑言：“你說它是布，它就是布，因?yàn)樗褪怯闷胀ǖ目棛C(jī)編織而成；你說它不是布，它也不是布，它可以是織物或者涂料或者薄膜等等各種材料?！?/span>
用于日間輻射冷卻的超材料織物示意圖。受訪者供圖
當(dāng)記者看到織物邊緣露出的白色細(xì)絲時(shí)，陶教授說，對(duì)，這就是超構(gòu)材料的關(guān)鍵與核心所在。
這一根根的細(xì)絲里包含著由納米材料排布形成的隨機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)既能反射陽光，又能在人體熱輻射波段保持近乎的發(fā)射率。陶光明教授用了一個(gè)通俗的比喻：穿在身上就像背著一面鏡子，又外掛一臺(tái)空調(diào)。
鏡子，不是說衣服像鏡面一樣直接反射陽光，而是通過納米材料的特定排布，如同一個(gè)納米迷宮，陽光照射進(jìn)來，不斷折射、拐彎，后反射出去。
空調(diào)，不是說衣服里有一個(gè)制冷設(shè)備，而是利用宇宙背景的低溫冷源，保持與它的熱交換通道的暢通?！@么說有些玄，陶光明教授舉了一個(gè)生活中常見的例子，夏夜在室外乘涼，看著銀河，數(shù)著星星，為什么感覺涼快？因?yàn)闊o云，大氣的透明窗口（8～13微米）使得人體的熱輻射和宇宙的低溫背景之間進(jìn)行的熱量交換，就像在一個(gè)天然大空調(diào)里。
用科學(xué)術(shù)語說，“超構(gòu)織物”能夠通過分級(jí)形態(tài)設(shè)計(jì)，調(diào)諧對(duì)太陽光波段和中紅外波段的光學(xué)響應(yīng)。既保持8～13微米波段的高發(fā)射率，大化熱輻射；又對(duì)0.3～2.5微米的太陽輻射實(shí)現(xiàn)高阻擋，實(shí)現(xiàn)在無能源輸入條件下，對(duì)覆蓋目標(biāo)物的全天持續(xù)進(jìn)行降溫，且綠色環(huán)保、柔軟親膚、舒適透氣。再用科學(xué)思路說，“超構(gòu)織物”是用物理光學(xué)和材料科學(xué)的協(xié)同創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式降溫，替代傳統(tǒng)的主動(dòng)降溫方式，意味著它是環(huán)境友好的、可持續(xù)發(fā)展的、順應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”的綠色理念。
從“悖論”中找突破口，從立項(xiàng)到完成僅3年多根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，防曬服通常是在織物表面涂覆一層致密的具有阻擋紫外線功能的涂料來實(shí)現(xiàn)良好的防曬果，致密的防曬涂層會(huì)使人體產(chǎn)生悶熱感，影響穿著舒適性。“防曬”與“制冷”，對(duì)于防曬服而言是兩個(gè)相悖的性能，如何兼得兩種性能是科學(xué)的難題。
陶光明和馬耀光團(tuán)隊(duì)的發(fā)明從生活中不可思議的地方入手，將防曬和制冷兩個(gè)看似不可調(diào)和的矛盾集中于一體，希望通過光的引導(dǎo)和操縱完成對(duì)微環(huán)境的熱調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高熱管理，賦予防曬衣全新的功能。
超材料織物與棉對(duì)人體體表降溫對(duì)比測(cè)試。(來源：Science)
超構(gòu)材料的研制從立項(xiàng)到完成僅3年多，即使在疫情防控期間，整個(gè)團(tuán)隊(duì)也沒有停止科研。為驗(yàn)證一種全新的分級(jí)結(jié)構(gòu)思路，他們對(duì)數(shù)以百計(jì)的材料進(jìn)行測(cè)量表征，并通過大量數(shù)據(jù)仿真對(duì)選材進(jìn)行驗(yàn)證。為產(chǎn)出性能，他們對(duì)紡絲、紡紗、織造整個(gè)工藝流程進(jìn)行探索和調(diào)控。為了測(cè)試性能，團(tuán)隊(duì)成員帶著超材料織物，追著陽光，前往武漢、杭州、溫州、蘇州、無錫、天津、青島、濰坊、廣州、西雙版納等地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。
在跨多學(xué)科的交叉協(xié)同創(chuàng)新下，團(tuán)隊(duì)終實(shí)現(xiàn)了從“一顆聚合物顆?！钡健耙痪沓牧厦媪稀钡拈L鏈條征程。
這種“防曬衣”到底有多防曬？在論文里，團(tuán)隊(duì)公布了超構(gòu)織物的一項(xiàng)能測(cè)試，測(cè)試組特地做了一件一半是普通純棉面料一半是超構(gòu)面料的T恤，讓一位測(cè)試者穿著它在2020年12月份的云南西雙版納正午的大太陽底下暴曬，將近30分鐘后的溫度測(cè)試表明，超構(gòu)面料遮擋的人體部分相較于普通純棉面料可低3攝氏度。
為什么測(cè)試30分鐘，而不是1個(gè)小時(shí)？陶光明說：“因?yàn)闇y(cè)試者受不了烈日炙烤而主動(dòng)要求終止實(shí)驗(yàn)，否則，越往后超構(gòu)面料的制冷優(yōu)勢(shì)會(huì)越大。“
他們還進(jìn)行了近30款知名品牌的防曬衣和涼感服的對(duì)比測(cè)試，同時(shí)對(duì)降溫口罩的初步樣品也進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，相比之下超材料織物具有優(yōu)異的性能，可以在多種場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。
超材料織物與商用織物降溫性能對(duì)比測(cè)試：(a)測(cè)試裝置示意圖和樣品照片(b)超材料織物制冷性能對(duì)比測(cè)試曲線圖（廣州，2020年11月28日）。受訪者供圖
普通紡紗設(shè)備即可完成量產(chǎn)，成本僅增加1%難得的是，這樣神奇的材料，僅通過普通的紡紗織造設(shè)備就可以完成。陶光明介紹，我們的發(fā)明并沒有提高制備難度，可以與整個(gè)成熟的紡織行業(yè)相兼容。不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)將新材料引入纖維內(nèi)部，纖維成本僅增加10%左右，這意味著一件超材料織物成衣相較于普通成衣的成本增加僅在1%左右。同時(shí)，超材料織物的主要材料是環(huán)境友好且生物可降解的，這意味著即使在年產(chǎn)百萬噸的情況下，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。
“超構(gòu)材料從一開始就不僅僅是一項(xiàng)科學(xué)發(fā)明，也是一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)明，利用現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，它可以以纖維或織物的形態(tài)廣泛應(yīng)用于日常生活的相關(guān)產(chǎn)品中，與任意物體的表面無縫結(jié)合。從我們?nèi)粘？吹降挠蟹罆裥枨蟮姆罆穹づ?、汽車車罩、雨陽傘，到有特殊防護(hù)要求的運(yùn)動(dòng)員、警察、清潔工、快遞員、醫(yī)護(hù)工作者的服飾，保護(hù)任何暴露在天空下、受到陽光傷害的人和物體?！?/span>
目前，科研團(tuán)隊(duì)正在實(shí)驗(yàn)基于超構(gòu)材料的醫(yī)用防護(hù)服和口罩，因?yàn)閼?yīng)對(duì)新冠肺炎疫情時(shí)，悶熱的口罩與防護(hù)服是全世界在一線抗擊疫情的醫(yī)護(hù)工作者的共同之痛。
“好的織物材料應(yīng)該從紡織業(yè)出發(fā)，服務(wù)各行各業(yè)，我們一開始就沒有將它當(dāng)作一項(xiàng)科學(xué)研究，發(fā)論文、寫報(bào)告、刷數(shù)據(jù)，我們一直將它當(dāng)作服務(wù)于‘人’的發(fā)明?！碧展饷髡f。
（長江日?qǐng)?bào)記者陳曉彤 周劼）
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