將“空調(diào)”穿在身上

劉娉婷

如何節(jié)約能源正成為人類面臨的一項(xiàng)持久戰(zhàn)。而為我們制造冬暖夏涼效果的空調(diào)，就是能源消耗的“主力”。中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院資源與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化研究所的數(shù)據(jù)顯示，中國能源總消費(fèi)中建筑能耗占比超過30%，其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占建筑總能耗的40%。

除了不斷開發(fā)使用像太陽能、風(fēng)能這類可再生能源外，節(jié)約能源最直接的方式還是要從日常使用場景中減少消耗。

“如果能給身體直接降溫，而不是通過空調(diào)給人所處的房屋來降溫，那么空調(diào)溫度升高1至4攝氏度就能夠節(jié)約7%至45%的能源。”美國斯坦福大學(xué)的副教授崔屹對《第一財經(jīng)周刊》說。

崔屹和其斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊就在做著這樣的事情—通過改變?nèi)藗內(nèi)粘４┲姆b紡織面料，達(dá)到個人溫度控制的目的。崔屹的團(tuán)隊，運(yùn)用納米、光子和化學(xué)技術(shù)，研發(fā)了一款具有冷卻功能的多孔微觀結(jié)構(gòu)的聚乙烯材料。

傳統(tǒng)布料通過蒸發(fā)汗水散熱，如果在夏天穿上這種新型面料制成的衣服，能讓人體的體感比穿純棉服裝降低3攝氏度左右，就像人體穿著一款可自動降溫的“空調(diào)衣”，從而降低對使用空調(diào)降溫的依賴。

人體散熱的形式主要有兩種：排汗和輻射紅外線。包括人體在內(nèi)的所有物體都會以紅外輻射形式散發(fā)熱能，這是一種隱形光波。

在非運(yùn)動狀態(tài)下，人體會散發(fā)出波長在7至14微米范圍內(nèi)的中紅外線，如果這些紅外線能夠暢通無阻地發(fā)散出去，則可以帶走人體50%的熱量。普通衣服的面料—全棉或者人造聚酯纖維，對紅外線的透過率很弱，只允許1.5%的紅外熱輻射穿過，這就會將熱量包裹在身體周圍，使我們在夏天感覺到炎熱。

同時，由于透明的材料不能用來制作服裝，就意味著新材料要能夠反射可見光。因此，可降溫面料最大的挑戰(zhàn)在于，它需要同時滿足既能穿過紅外線、又能反射可見光這兩個要求。

這些要求在光學(xué)理論的驗(yàn)證下其實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)。通?？梢姽獾牟ㄩL范圍在400至700納米之間，如果材料里有直徑和可見光差不多大的小孔，讓可見光發(fā)生散射，從而不透明。而中紅外線的波長遠(yuǎn)大于小孔直徑，只能穿透而無法反射。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，斯坦福的這個團(tuán)隊很快找到了這種能夠穿透紅外線的材料：聚乙烯或聚丙烯，它們都屬于高分子化學(xué)結(jié)構(gòu)材料。同時化學(xué)分子式比較簡單，只由C-C鍵和C-H鍵組成，對紅外光的吸收較弱，穿透性較好。

我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷降牟牧鲜蔷垡蚁@是乙烯經(jīng)過聚合制成的一種熱塑性樹脂，也就是塑料袋或保鮮膜的主要成分。聚乙烯具有耐腐蝕性、電絕緣性、無毒、易加工以及價格低廉的優(yōu)勢。

理論模型中，材料上的納米小孔能夠讓聚乙烯變得具有反射可見光的能力，所以團(tuán)隊還需要尋找一款多孔納米聚乙烯材料。

事實(shí)上，在電動汽車上使用的高能鋰電池，為了防止陰極和陽極短路，會用隔膜將兩極分開。隔膜的主要成分就是聚乙烯，它呈白色，表面有很多納米小孔—這都基本符合需求。

崔屹他們將隔膜放置在電子顯微鏡下，發(fā)現(xiàn)在納米多孔材料中分布著許多連通的孔隙，它們的直徑在50至1000納米之間?？障兜闹睆椒秶采w了可見光波長的范圍，能夠讓可見光發(fā)生散射，而其紅外線波長又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑區(qū)間。根據(jù)測試，這款納米多孔聚乙烯材料可以讓96%的紅外熱輻射穿透。

但找到合適的材料，新型面料的研發(fā)才完成第一步。我們?nèi)粘＿x購服裝時，服裝的透汗性、透氣性、牢固性等都會在考慮范圍內(nèi)，所以新型面料同樣需要具備這些性能。

保鮮膜無法透水，就表明聚乙烯的親水性不佳。因?yàn)橐獙{米聚乙烯材料做親水性改進(jìn)，才能拓寬聚乙烯材料的使用范圍。

仿生學(xué)已經(jīng)證明，在水溶液中，化學(xué)成分左旋3.4-二羥基苯丙氨酸的衍生物3.4-二羥基苯丙氨，即多巴胺，能夠產(chǎn)生氧化聚合，再通過發(fā)生黏液固化的反應(yīng)，穩(wěn)定在固體材料表面，形成聚多巴胺，這種物質(zhì)幾乎能在所有材料表面形成一層強(qiáng)粘附的復(fù)合層。

聚多巴胺具有良好的修飾性能。它表面含有豐富的官能團(tuán)，能使修飾后的材料的親水性、耐久性得到提升，也有利于進(jìn)一步對材料做功能化修飾，改善材料的表面性能。畢竟，對高能鋰電池隔膜的改造比直接研發(fā)全新面料要容易些。團(tuán)隊在多孔納米聚乙烯表面打孔，涂上了聚多巴胺，這樣材料就具備了高強(qiáng)度的水蒸氣透過率，可以更好地排汗。

透氣性檢驗(yàn)的是材料的空氣傳輸流量，表示面料在風(fēng)吹入時可以帶走身體的熱量。傳統(tǒng)的棉紡織產(chǎn)品中，透氣性依靠棉紡織紗線的間距實(shí)現(xiàn)，而崔屹團(tuán)隊在納米聚乙烯材料上打的小孔成了透氣的窗口。小孔的大小和人的毛發(fā)直徑差不多，在視覺上不會受到影響。

但附著聚多巴胺涂層的納米聚乙烯材料還只是單層材料，無法抵抗多次清洗和穿著磨損。為了使材料更適合做衣服，團(tuán)隊制造了三層系列：兩片納米聚乙烯中間加入棉網(wǎng)布做分離處理，達(dá)到所需要的強(qiáng)度和厚度。

在測試新材料與同厚度的棉織物的冷卻能力時，團(tuán)隊將兩種材料的樣品放在和裸露皮膚一樣溫度的表面，測量每種材料的熱輻射性能。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果顯示，穿著新材料，人體皮膚溫度僅會升高0.7攝氏度，同樣條件下，棉織材料會令溫度增加3.5攝氏度。

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)室的成功并不代表一定適用于市場。想要材料能夠被廣泛應(yīng)用于服裝制造業(yè)，還需要在增加舒適度和降低成本上下功夫?！拔覀冃枰獙⒉牧献龀杉徔椘泛屠w維，這樣穿起來才舒服。想要大規(guī)模制作，必須能夠大幅降低成本，但作為塑料袋原材料的聚乙烯，價格本身較為便宜，后期僅需要加一些工藝費(fèi)用。”崔屹說。

而這款材料的應(yīng)用領(lǐng)域也不局限于服裝業(yè)，類似野外的帳篷、車輛遮陽罩、防紫外線大棚等戶外設(shè)施都可以使用。

其更深層的意義在于，不使用外部能源，通過調(diào)整材料的紅外輻射散發(fā)來達(dá)到控溫目的。這款新型面料，或許能讓已有上千年歷史的中國棉紡織材料，發(fā)揮出更多的功能。