崔屹团队综述 : 智能衣服，如何让人冷暖自如？
核心内容：
1. 该文从先进织物的设计理念出发，总结了四种不同的工作机制：调控衣物热辐射性质，调控衣服热传导性质，主动加热/制冷衣物，对环境变化实现智能响应的衣物。针对不同的工作机制，该文讨论了在此机制下实现人体保暖及降温的材料要求、代表性工作及优缺点。
2. 文章最后探讨了人体热管理先进织物的进一步发展，包括从基础研究到实现商业化应用的挑战，以及未来可能的发展方向。随着人体热管理先进织物的发展，包括织物材料、结构设计、表面处理技术的发展，以及和电子器件结合的智能衣物结合，人体热管理先进织物必将得到进一步发展并引起更广泛的关注，越来越多的技术将会在不久的将来实现商业化并真正运用于日常生活中。
人体热管理
人体热舒适不仅对身心健康、生命安全、社会生产效率有着重要意义，也极大地影响着建筑供暖、通风和空调（HVAC）系统的能耗。随着人们生活水平的提高，如何更好地实现人体热舒适也越来越受到人们的关注。近年来，个人热管理的概念被提出，其着眼于人体本身及其周围的局部环境，为实现人体热舒适提供了一个高效率、低能耗的解决方案。基于此概念，用于提高人体热管理的先进织物纷纷涌现，为人体热舒适及建筑节能提供了丰富多样的选择及有效的调控方案。
成果简介
日前，来自斯坦福大学的崔屹教授团队基于课题组近年来的先进织物研究，聚焦个人热管理先进织物做了一项及时的综述与展望研究，在Joule上发表了题为“Advanced textile for personalthermal management and energy”的综述文章。该文从人体散热的不同途径出发，描述了不同先进织物的设计原则、工作原理、材料与结构设计策略以及性能，并针对该领域尚存的技术问题、可能的解决思路和方向进行了深入讨论。为相关领域的学者及对该技术感兴趣的一般公众提供了一个快速了解该领域技术进展及未来发展趋势的参考。
图1. 人体热管理先进织物。
要点1：基于纳米多孔聚乙烯微米级纤维辐射降温织物
通常来说，人体通过热辐射、热传导、热对流以及蒸发带走热量，实现身体的热平衡。人体热管理先进织物基于人体热量散失的原理，设计并实现对人体热量散失的调控，从而实现保温/降温效果。
图2. 人体的基本散热途径。
人体作为一个良好的中红外波段光发射体，不断向周围环境通过热辐射散失热量。在一般的室内环境下，人体通过辐射散失的热量可高达总散热的60%。基于这个背景，崔屹教授课题组开发了对中红外波段光透明的辐射降温织物材料——纳米多孔聚乙烯材料。这种材料对中红外波段光有着高透过率，可以使得人体辐射的热量尽可能多地通过衣物散失到环境中。其中特殊的纳米多孔结构又可在不影响红外透过率的前提下保证其在可见光波段内的不透明度，从而保证正常穿着。纳米多孔聚乙烯微米级纤维也已经被开发，并用于大规模生产辐射降温织物。
图3. 基于纳米多孔聚乙烯材料的对中红外波段光透明的辐射降温织物。
室内情况下，有效地实现人体热量更大程度上向环境散失在很大程度上即可实现降温效果。然而在室外环境下，有效地降温不仅要考虑人体向环境的热量散失，如何有效避免来自于太阳的热量也是需要考虑的重要因素之一。金属，无机化合物，纳米材料，光学结构等已经被广泛报道了其对可见光的有效反射性能。将可见光反射材料（如氧化锌纳米颗粒）与中红外透明材料（纳米多孔聚乙烯）结合，可以实现对光谱的选择性调控，即在可见光波段实现高反射率，中红外波段实现高透过率，从而达到理想的降温效果。
图4. 基于纳米多孔聚乙烯材料的户外辐射降温织物。
要点2：调控衣物的热辐射性质与热传导实现热管理
和辐射降温衣物不同，要实现保温效果，衣服应尽可能降低人体向环境的热辐射热量散失。为实现这个目的，辐射保温衣物通常采用增强衣物对中红外波段的反射（降低表面发射率以减少人体向环境的热辐射）。用金属材质的fiber织成的衣物有很高的红外反射率，但是此类衣物重量重、质地坚硬且易碎。金属/高分子材料做成的复合纤维可以在保持高反射率的前提下提高衣物的柔性。此外，表面修饰普通织物也可实现衣物的红外高反射率，例如图中所展示的银纳米线浸涂法以及无电镀镀银方法均可有效提高衣服中红外反射性能，从而实现保温效果。
图5. 低中红外发射率的辐射保温衣物。
除了调控衣物的热辐射性质以外，调控衣物的热传导性质也能有效实现个人热管理。为了实现传导降温，高热导材料被应用到新型织物材料中。例如，碳材料（石墨烯、碳纳米管）等材料既有良好的热导性质也有良好的热辐射能力，含有一定比例的碳纳米管复合物已经被应用在衣物表面处理上并有良好的传导降温功能。另外，将高导热材料复合进纤维也提供了一种实现传导降温功能衣物的策略。
例如，Gao等人报道了采用高取向性的氮化硼(a-BN)和聚醋酸乙烯酯（PVA）的复合纤维来增强衣物的热传导性能。为了利用增大衣物热传导热阻来实现保温功能，通常会采用尽可能增大衣物可以包含的空气比例来增加热阻，例如日常生活中的羽绒服。除了自然纤维以外，极细纤维（如，3M Thinsulate）和异形纤维也在被开发。由于更小的尺寸和特殊的形状，这些纤维相较于普通织物纤维可以储存更多的空气在纤维之间并限制空气的对流，从而实现更好的保温效果。除了尽可能提高纤维之间的空气储存量，提高纤维内部的空气比例也是实现保温的有效途径。
Cui等人报道了一种具有取向多孔结构的纤维及其冷冻纺丝的制备工艺。这种纤维的孔隙率可以高达87%，而且它取向性的孔道结构可以帮助其在多孔结构下也实现较好的力学强度。气凝胶作为一种优异的保温材料，将其应用在衣物上的研究也在快速发展。不过，虽然其保温性能优异，它目前在实际应用中还有一些缺陷，例如它的力学脆性、不耐洗性以及及颗粒吸入人体的健康隐患。
图6. 热传导降温/保温衣物。
要点3：主动保温/降温
调控衣物本身的性质来实现更好的散热/保温是实现个人热管理的有效策略，与之比较，主动保温/降温衣物虽然会消耗额外的能量，但是却能实现更明显的保温/降温效果。焦耳热被广泛报道运用在主动保温的衣物上，其一般由嵌入在衣物表面或纤维内部的导电材料（如，碳纳米管、石墨烯、金属材料、导电高分子等）实现。基于银纳米线的焦耳热功能，Huang等人将其和铂纳米线的温度传感功能结合，报道了一种集加热测温及控温的集成衣物。除了材料的电热转换性能以外，研究者们也在着眼于开发新的能量转换模式。例如，Li等人报道了一种基于MXene的可拉伸太阳能/电能双加热器。他们基于仿生原理设计了一种可以在宽光谱上实现高效吸光的具有多级结构的仿生MXene涂层，并利用其实现了可以同时用阳光及电加热的柔性加热器。
图7. 主动加热保温衣物。
研究者们也将一些便携的能量转换器件与织物结合起来，以实现主动降温/保温功能。Zhao等人实现了将便携的热电能量转换器件加到衣物上，此器件可以通过一个树枝状的橡胶管道为人体提供低温或高温的空气。Zhang等人通过热牵引技术将密封的包含有高质量无机热电材料的柔性基底材料制作成结晶化热电微米/纳米线，然后把此种纤维织进普通织物。这种织物展示了高达5度的降温效果。研究者们也实现了将轻质便携的电池驱动型风扇结合到衣物上，用强制对流来为人体提供降温效果。此外，液体冷却衣物利用嵌入在衣物上的循环液体冷却剂不断将身体热量带走。
图8. 利用便携能量转换元件的主动保温/降温衣物。
和一般普通织物不同，智能感应织物可以感知环境及人体的变化从而做出响应。首先，各种各样的相变材料已经被广泛应用在织物中如有结晶水的无机盐、线型长链烃类，聚乙烯醇及它们的共熔混合物等。其在特定温度区间内的相变可以吸收或释放潜热，从而达到热调控的目的。再者，具有感应型结构变化的织物也在动态热调控方面有着巨大潜力。为了实现动态调控辐射、传导、对流等性质，织物被设计成在厚度变化、孔开关、纤维/纱线结构变化可以实现响应。
例如，Zhong等人基于Nafion膜设计并实现了两种湿度响应型智能衣物。当Nafion膜的两面暴露于不同湿度下，其会向湿度低的一侧弯曲。因此，此特性被利用且设计了孔随着湿度变化打开或闭合的衣物，及厚度随湿度变化的衣物，从而增加或减少人体热量的散失。Mu等人报道了一种利用商业化PFSA膜内纳米尺度上分子孔道的环境响应器，并设计了一种灵感来源于剪纸的单层响应材料来实现人体湿度和热的管理。Wang等人将微生物膜涂覆在湿度惰性的乳胶材料上以形成一种双层异质结构膜，这种膜可以在几秒以内对环境湿度做出响应并改变自己的形状，基于此，他们制作了可以自动调节湿气传输和热阻的跑步衣物。
除了列举的这些工作之外，形状记忆的聚氨酯材料也被报道在它的玻璃化转变温度附近（接近人体温度）有水气透过率的变化，如PNIPAAm之类的热响应水凝胶材料也被运用于人体的动态热管理。除了着眼于通过调控衣物的对流、水气透过率等性质来实现智能感应热调控，Zhang等人报道了织物辐射性质在湿度变化时的响应。他们将三醋酯-纤维素纤维在表面修饰上碳纳米管薄层，再编织成织物。在潮湿状态下，这些由碳纳米管修饰过的双组份纤维会因为两种成分对湿度的响应差异引起纱线中纤维距离的变近，从而通过碳纳米管的共振电磁耦合效应来改变织物的发射率，来实现人体辐射更高的散失。反之，在湿度降低的情况下，纤维会利用相反的响应行为来降低人体辐射散失的热量。
图9. 智能感应织物。
小结与展望
用于人体热管理的先进织物正在经历一个快速的发展，这个领域的进步不仅为人体热舒适提供了更多更有效的思路，也对建筑物节能提出了新的解决方案。不过，这个领域也还存在着很多挑战需要被进一步解决和优化，还有很多方面值得进一步研究，例如：从实验室级别的概念验证阶段到商业化，衣物的舒适度、力学强度、生物相容性、耐洗性，材料的价格、制备工艺难度、可加工性、环保性等因素都需要被考量并优化解决；测试和评估的标准性和一致性；热调控新机制的开发；适应特殊极端环境的衣物的开发；结合电子器件的智慧热管理衣物的开发等等。
参考文献
YucanPeng et al. Advanced Textiles forPersonal Thermal Management and Energy. Joule, 2020.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.02.011
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.02.011
作者简介
通讯作者-崔屹教授：1993-1998年就读于中国科学技术大学应用化学系，1998-2002年就读于哈佛大学化学系，2003-2005年间在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大学。崔屹教授主要研究领域集中在能源存储与转化、纳米显微技术、纳米环保技术、纳米生物技术、先进材料的合成与制造等等，以纳米技术为核心，多学科交叉，多方向并进是崔屹教授课题组研究的重要特点。崔屹教授先后在Science(科学)、Nature(自然)、Nature Nanotechnology(自然·纳米科技)、NatureMaterials(自然·材料)、Nature Communication(自然·通讯)、JACS(美国化学学会杂志)等世界顶级期刊发表高水平论文400余篇，总被引频次高达16万多次。
第一作者-彭雨粲：于2015年在中国科技大学取得材料化学本科学位，从2015年开始在斯坦福大学攻读博士学位，导师崔屹教授。研究方向为人体热管理。迄今在国际著名学术期刊Science，Nature sustainability, Joule, ScienceAdvance, Nature Communication等期刊上发表第一作者及署名论文共9篇，申请美国专利3项。
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