入选hotonics封面文章受人体皮肤启发的辐射制冷织物光谱制冷织物发射率封面文章热辐射表皮层

XinPing Zhang†, Ziming Cheng†, Dongling Yang, Yan Dong, Xuhang Shi, Huaxu Liang, Fuqiang Wang*, Han Han, Weifeng Meng, Yong Shuai, Yuying Yan. Scalable bio-skin inspired radiative cooling metafabric for breaking trade-off between optical properties and application requirements. ACS Photonics 2023, (in press).

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研究背景

设计思路

图1 受人体皮肤启发的仿生辐射制冷织物的理论设计

图2 仿生辐射制冷织物的制备与表征

实验测试

在甘肃敦煌测试了仿生辐射制冷织物的户外降温性能。在超过24小时的连续测量期间，仿生辐射制冷织物始终保持低于环境温度的温度。仿生辐射制冷织物实现了日间(6:30-21:00)和夜间(21:00-6:30)低于环境5.2°C和8.1°C的平均降温。此外，仿生辐射制冷织物在日间可实现最多低于环境温度12.6°C的降温。我们还对仿生辐射制冷织物与其他白色织物进行了温度对比测试。在午间12:00 - 16:00的太阳辐照下，仿生辐射制冷织物的平均温度分别比棉、无纺布、涤纶和亚麻布低7.9°C、7.5°C、8.6°C和8.4°C。

图3 仿生辐射制冷织物的户外降温测试

应用探索

这种仿生辐射制冷织物可以被制成可穿戴产品，如帽子、口罩和衣服，用于炎热的天气的个人热管理。在太阳直射下，穿戴仿生辐射制冷织物帽子时人体头顶部温度比戴黑色和白色棉帽时温度分别低16.6°C和5.0°C。在另一项测试中，将仿生辐射制冷织物制成了一个迷你帐篷。与传统露营帐篷(聚氨酯)和帆布帐篷相比，仿生辐射制冷织物帐篷顶部表面的温度分别降低21.6°C和30.3°C，而帐篷空腔内空气的最大降温分别为17.2°C和24.4°C。在1小时的汽车模型室外降温测试中，被仿生辐射制冷织物覆盖的汽车模型的腔体内最高温度比不覆盖任何织物的汽车模型温度低32.9℃，比覆盖聚氨酯（含银基底）的汽车模型低12.9℃。

图4 仿生辐射制冷织物的潜在应用场景

总结与讨论

通过引入光子板状孔效应，并从人体皮肤表皮层和真皮层中获得灵感，本文提出了一种高效的PDRC双波段光学性能设计策略。通过简单且可规模化的浸染工艺，制备了仿生辐射制冷织物，并获得了超高的双波段光学性能和优异的实际应用性能。精心设计的板状等级孔在仿生辐射制冷织物中表现出比Mie共振更强的后向散射，尺寸优化后的板状等级孔能够提供良好的透气性和防水性能。该工作可为借鉴仿生思想、构建双波段热辐射调控机制的研究提供新思路。

作者简介

程子明，哈尔滨工业大学（威海）讲师。分别于2018年、2022年在哈尔滨工业大学获得硕士、博士学位， 2021年3月至2022年3月于英国诺丁汉大学进行联合培养。主要从事多波段光谱辐射调控、辐射制冷、太阳能全光谱高效利用等领域的研究工作。以第一/通讯作者发表Nano Energy、Int J Heat Mass Trans等国内外高水平期刊论文13篇，授权发明专利4项（转化1项），研究成果获国际仿生创新二等奖、威海市自然科学一等奖等。