披在身上的“移动冷气站”：超材料面料掀起清凉科技浪潮
在全球气候变暖的大背景下，高温天气日益频繁，如何在酷热中保持凉爽成为了人们关注的焦点。传统的制冷方式，如空调、风扇等，虽然能带来清凉，但存在能耗高、不便于携带等缺点。如今，一种创新的超材料织物正悄然兴起，为人们带来了全新的降温体验，它被形象地称为穿在身上的 “制冷空调”，有望掀起一场降温革命。 山东稀有高科先进技术研究院带您领略这一创新“降温”超材料的世界。
灵感源于自然：从撒哈拉银蚁到超材料织物
大自然是人类最好的老师，许多科技创新都能从自然界中找到灵感。超材料织物的研发也不例外，其设计灵感部分来源于撒哈拉银蚁。在烈日炎炎的撒哈拉沙漠，中午的温度高得足以烤熟鸡蛋，然而，撒哈拉银蚁却能在这样极端的环境中外出觅食。奥秘就在于它们身上那致密而形状独特的银色毛发，这些毛发如同一件银光闪闪的 “抗暑衣”。
研究发现，这些银色毛发可以有效地反射可见光和近红外光，而这正是太阳辐射的主要组成部分。同时，毛发还赋予了银蚁极高的热辐射率，使其能够增强通过热辐射散失多余热量的能力。受此启发，科学家们开始探索能否研制出一种类似功能的织物，帮助人类在炎热环境中降温。
华中科技大学教授陶光明团队以及浙江大学研究员马耀光团队联合多家科研单位，基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发出了无源制冷光学超材料织物。这种织物通过模仿撒哈拉银蚁毛发的特性，实现了对太阳辐射的高效反射和人体热量的快速散发，为人体降温提供了新的途径。
神奇的工作原理：像镜子又像空调
超材料织物的降温原理看似复杂，实则蕴含着精妙的设计。简单来说，将这种材料做成衣服穿在身上，就如同背着一面镜子，又外挂着一台空调。
这里所说的 “镜子”，并非指衣服像普通镜面一样直接反射阳光。而是通过对超材料织物进行特殊的排布和设计，构建出一个纳米级别的迷宫结构。当阳光照射到衣物上时，光线在这个纳米迷宫中不断折射、拐弯，最终反射出去，从而实现最大限度的光反射，有效阻挡太阳辐射的热量输入。据测试，这种超材料织物在太阳光波段（0.3-2.5μm）的反射率高达92.4%，能够将太阳光谱分解，全面阻挡紫外线。
而 “空调” 的功能，则是利用了宇宙背景的绝对低温冷源。人体的红外辐射范围（7 - 14μm）与大气透明窗口（8 - 13μm）存在重叠，这使得人体的热辐射可以通过大气透明窗口向温度低至 3K 的外太空进行辐射制冷。超材料织物借助这一原理，在中红外波段（8 - 13μm）具有 94.5% 的发射率，能够增强人体与外部寒冷空间的热交换，最大化人体辐射散失，达到降温效果，且整个过程无需外部能量输入，真正实现了零能耗降温。
研发突破：多学科协同打造高效降温材料
超材料织物的研发并非一蹴而就，背后是众多科研人员多年的努力以及多学科的协同创新。在研发过程中，科学家们面临着诸多挑战。首先，要实现对太阳辐射波段和中红外波段的高效光谱调控，需要在织物内部引入特殊的结构，如空气孔、介质颗粒、聚合物纳米纤维等，同时还要确保这些结构不会影响织物的舒适性和耐用性。
为了解决这些问题，陶光明团队等研究人员将光学随机超材料与批量纤维制备技术相结合。他们选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸（PLA）为纤维原料，并引入特定波段光学新特性，通过一系列复杂的工艺，获得了均匀连续的超材料纤维。这些纤维强度足够高，足以利用缝纫机在商用面料上进行任意文字和形状的绣花，为后续的织物加工提供了便利。
在此基础上，研究人员进一步利用纺纱织造和层压技术，制备得到了具有形态分级结构的超材料织物。这种织物根据织物的多层空间结构、纤维结构以及纤维内部纳米结构，在不同空间、不同尺度上进行分级，形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。通过这种分级设计，可将太阳辐射波段到中红外波段的光谱分为3段，交由超材料织物中的不同级次响应，最终实现紫外、可见 — 近红外及中红外波段的宽光谱精准调控，有效避免不同波段光谱串扰，优化光谱响应效率。
经过不断的优化和测试，超材料织物在性能上取得了重大突破。在无源输入条件下，它可实现全天低于环境温度2-10℃的良好辐射制冷效果。在正午时间段的模拟人体测试中，超材料织物所覆盖的模拟皮肤相较于同色商业面料可降温5-7°C。在人体表面降温测试中，相较于商用白色棉，超材料织物最高降温超过4°C。
广泛的应用前景：从日常穿着到特殊领域
超材料织物优异的降温性能使其具有广泛的应用前景，无论是在日常生活还是特殊领域，都能发挥重要作用。
在日常穿着方面，将超材料织物制成的衣物，如 T 恤、衬衫、连衣裙等，为人们在炎热的夏天提供了更加凉爽舒适的穿着体验。想象一下，在户外散步、运动或者工作时，穿着这种能够自动降温的衣物，不再被酷热所困扰，尽情享受夏日的美好时光。而且，超材料织物选用绿色环保的纺织用聚合物原料，工艺流程与整个纺织行业相兼容，适合大规模推广和产业化应用，未来有望成为人们夏季服装的主流选择。
在特殊领域，超材料织物也展现出了巨大的潜力。例如，在疫情防控中，医护工作者需要长时间穿着闷热的防护口罩和防护服，工作环境十分艰苦。将超材料织物应用在口罩和防护服上，在实现有效防护的基础上，可实现有效的户外降温，大大提高医护工作者的热舒适度，减轻他们的工作负担。
此外，对于户外工作者，如建筑工人、交警、快递员等，长时间暴露在阳光下，容易受到高温的危害。超材料织物制成的工作服能够为他们提供额外的降温保护，降低中暑等热相关疾病的发生风险，保障他们的身体健康和工作效率。在军事领域，士兵在执行任务时，常常面临恶劣的环境和高温的考验，超材料织物制成的军装可以帮助他们保持身体凉爽，提高作战能力和耐力。
不仅如此，超材料织物还可以应用于户内外非穿戴产品，如汽车内饰、帐篷、遮阳伞等。在汽车测试中，覆盖商用车罩可使汽车模型内部降温 3 摄氏度，而覆盖超材料织物可降温超过 30 摄氏度，这表明超材料织物在汽车隔热降温方面具有显著优势。使用超材料织物制作的帐篷和遮阳伞，能为户外活动提供更凉爽的空间，提升人们的户外体验。
未来展望：持续创新推动降温技术升级
超材料织物的出现，为解决高温环境下的降温问题带来了新的希望，然而，科学家们并没有满足于现有的成果。他们正在不断探索和研究，致力于进一步提升超材料织物的性能，拓展其应用范围。
一方面，研究人员将继续优化超材料织物的结构和性能。例如，通过改进材料配方和制备工艺，提高织物的降温效率、透气性、防水性和耐用性等综合性能。同时，降低生产成本，使超材料织物能够更加普及，让更多人受益。
另一方面，随着科技的不断发展，未来超材料织物可能会与其他先进技术相结合，如智能传感技术、储能技术等。通过集成智能传感器，衣物可以实时监测人体的体温、心率、出汗量等生理指标，并根据这些数据自动调节降温功能，实现个性化的智能热管理。结合储能技术，超材料织物或许能够在夜间或低温环境下储存热量，在需要时释放，实现冬暖夏凉的双重功能。
此外，超材料织物的应用领域也将不断拓展。除了目前已涉及的领域，它还有望在医疗保健、航空航天、电子设备散热等更多领域发挥重要作用。例如，在医疗保健领域，超材料织物可以用于治疗一些与热相关的疾病，或者作为康复辅助材料，帮助患者恢复健康。在航空航天领域，为宇航员提供更加舒适的热环境，保障太空任务的顺利进行。在电子设备散热方面，解决电子设备在高温环境下性能下降的问题，提高设备的稳定性和使用寿命。
总之，超材料织物作为一种具有创新性的降温材料，已经展现出了巨大的潜力和应用价值。随着技术的不断进步和创新，相信在不久的将来，它将走进人们的日常生活，为人们带来更加舒适、便捷的生活体验，同时也将为各个领域的发展注入新的活力，推动相关产业的升级和变革。让我们拭目以待，共同见证超材料织物在降温革命中创造更多的奇迹。
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