近日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了武漢光電國(guó)家研究中心陶光明研究小組和浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院馬耀光研究小組合作的題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究論文。此研究突破性地研發(fā)了一種具有形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)(Hierarchical-morphology structure)、可大批量制備的光學(xué)超材料織物(Metafabric)，具有優(yōu)異的日間輻射制冷能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效的戶外個(gè)人熱管理具有重要意義。

輻射制冷技術(shù)旨在通過(guò)光譜調(diào)控，使地表物體在8-13 μm的大氣透明窗口（Atmospheric Transparent Spectral Window, ATSW）將熱量高效輻射到溫度接近絕對(duì)零度的外太空中，從而實(shí)現(xiàn)零能耗的無(wú)源制冷。近年來(lái)，隨著光學(xué)隨機(jī)結(jié)構(gòu)超材料的發(fā)展，基于選擇性光譜調(diào)控技術(shù)的輻射制冷織物在個(gè)人熱管理領(lǐng)域逐漸受到重視。但由于目前的研究難以實(shí)現(xiàn)涵蓋紫外、可見、紅外的寬光譜調(diào)控，故實(shí)現(xiàn)人體在戶外陽(yáng)光直射的炎熱環(huán)境下的有效降溫仍舊面臨挑戰(zhàn)。

陶光明團(tuán)隊(duì)和馬耀光團(tuán)隊(duì)在輻射制冷織物研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了一種形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)的光學(xué)隨機(jī)超材料織物（Metafabric），其根據(jù)織物空間結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)以及纖維內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，不同的級(jí)次分別響應(yīng)不同波段，優(yōu)化了光譜響應(yīng)的效率，同時(shí)有效避免了不同波段光譜的串?dāng)_，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)0.3 -25 μm波段范圍的高效的光譜調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)將光學(xué)超材料技術(shù)與批量纖維制備技術(shù)相結(jié)合，選用綠色環(huán)保、生物可降解的聚乳酸為纖維原料，引入特定波段光學(xué)新特性，獲得了均勻連續(xù)的超材料纖維。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用成熟紡紗織造和層壓技術(shù)，制備的Metafabric在太陽(yáng)輻射波段（0.3-2.5 μm）具有92.4%反射率，在中紅外大氣窗口波段（8-13 μm）具有94.5%發(fā)射率。Metafabric可實(shí)現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度的日夜輻射制冷；在正午時(shí)段的模擬人體皮膚測(cè)試中（廣州，2020年11月28日），相較于同色的商用織物（棉、氨綸、雪紡、麻），Metafabric下的模擬皮膚溫度可低5-7 °C。在對(duì)汽車模型的降溫測(cè)試中（廣州，2020年12月7日），覆蓋Metafabric的模型內(nèi)部溫度相較于市售車罩可降溫~27 °C，相較于無(wú)織物覆蓋的模型可降溫~30 °C。此外，Metafabric對(duì)暴露于陽(yáng)光的實(shí)際人體也具有顯著的降溫效果（廣州，2020年12月7日），相較于白色棉織物，其對(duì)人體體表降溫超過(guò)4 °C。同時(shí)，該織物具有優(yōu)異的可穿戴性，并與整個(gè)紡織行業(yè)相兼容，適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖Metafabric與棉對(duì)人體體表降溫對(duì)比測(cè)試。(a)人體體表降溫測(cè)試照片；(b)人體體表降溫對(duì)比測(cè)試紅外圖（左邊為棉，右邊為Metafabric）

本研究論文的第一作者是武漢光電國(guó)家研究中心碩士生曾少寧、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生片思杰。陶光明和馬耀光為共同通訊作者。該項(xiàng)目合作單位還包括山東賽動(dòng)新能源科技有限公司、武漢紡織大學(xué)、青島大學(xué)、中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司，該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。

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