2021年5月22日是中国马拉松史上最黑暗的一天，在这场甘肃省马拉松百公里越野赛中，选手们在赛程中遭遇了极端天气，强风冻雨和冰雹夺走了21条鲜活的生命。这起事故中，主办方和选手们对极端严寒天气并没有做好准备，大多数选手没有准备御寒衣物，因此在寒风冻雨中出现失温，导致死亡。这个消息令人无比的悲痛和震惊，也让人们意识到失温的可怕与危险性。那么，在材料领域是否有能够对抗失温的保温材料的研究呢，材料科学家们能否研究出不畏酷暑严寒的材料呢。
其实，人体热管理（Personal thermal management）是一个越来越受到研究者关注的领域，通过在Web of science上搜索可以发现自2012年以来，虽然关于Personal thermal management 的发文量总体不多，但是发文量一直处于快速上升状态。并且，随着智能织物的蓬勃发展，能够实现人体热管理的智能织物材料将会成为未来材料研究的热点。下面我们给大家介绍发表于顶刊上的关于人体热管理的一些经典研究工作。
近十年（2012-2022）人体热管理研究发文数
1. 斯坦福大学崔屹Nano Lett.: 金属纳米线涂层纺织物用于个人热管理
人类日常供暖会消耗大量能源，也因此成为温室气体排放的主要来源。尽管节能建筑在改进隔热和设计的基础上发展迅速，但仍有很大一部分能源浪费在加热空旷空间和非人类物体上。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授等人在此文中提出利用个人热管理可以大量减少能量消耗。作者认为使用新型材料组装可穿戴个人热管理器件可以在个体中实现供热或隔热过程，从而尽量减少人体热量的耗散和对环境供热的需求。此文中，作者展示了一种金属纳米线嵌入的布料织物作为个人热管理系统，可以有效减少能源浪费。研究结果表明，采用金属纳米线形成一个导电网络，不仅可以反射人体红外辐射而具有高度的隔热性，而且还允许利用焦耳加热来补充被动隔热。此外，金属纳米线的多孔结构并没有牺牲布料织物的透气性和耐用性。与传统的室内取暖器相比，这种金属纳米线嵌入的布料织物可以有效地提高体温，并节约数百瓦每人的能量。
Personal Thermal Management by Metallic Nanowire-Coated Textile. Nano lett. 15, 365–371 (2015). https://doi.org/10.1021/nl5036572.
2. 斯坦福大学崔屹Science: 纳米多孔聚乙烯织物助力辐射人体降温
通过对个人的加热和冷却来进行热管理是一种扩大室内温度设定值范围以节省大量能源的策略。2016年，斯坦福大学崔屹教授等人于Science上报道了一种纳米聚乙烯 （nanoPE）材料，由于其孔径分布为50 到 1000 纳米， nanoPE材料对中红外人体辐射是透明的，但对可见光不透明。通过对nanoPE进一步加工，将nanoPE表面改性为亲水性，并将聚多巴胺（PDA）包覆在nanoPE上，作者开发出一种可促进有效的辐射冷却，同时仍具有足够的透气性、吸水率和机械强度以实现耐磨性的织物。 同时，作者开发了一种模拟皮肤温度的装置，发现与用棉布覆盖时相比，用nanoPE布和加工过的nanoPE布覆盖时的温度分别低 2.7 °C 和 2.0 °C。该结果表明加工过的纳米聚乙烯是一种用于人体热管理的有效且可扩展的织物。
Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science, 353, 1019-1023 (2016). DOI: 10.1126/science.aaf5471
3. 斯坦福大学崔屹Nat. Commun.: 保温利器-纳米多孔金属化聚乙烯织物
空间供暖是建筑物最大的能源终端使用，给社会带来了沉重的负担。通过被动加热人体周围的直接环境，可以节省为整个建筑物空间加热而浪费的能源。本文中，斯坦福大学崔屹教授等人报道了一种具有定制红外（IR）特性的纳米光子结构织物，该织物使用纳米多孔金属化聚乙烯进行被动人体加热，指出了未来利用金属化聚乙烯制造具有优越保温性服饰的可能。作者首先构建了一维稳态热传递模型，发现了寒冷环境中衣物红外性能和外界温度的关系，结果表明织物外表面的红外辐射率对衣物的保温性能有重要影响，而织物内表面的红外辐射率对保温性能几乎没有影响。随后，通过在具有嵌入纳米孔的IR透明层上构造IR反射层，纳米多孔金属化聚乙烯纺织品在外表面上具有最小的IR发射率（10.1%），可以有效地抑制散热损失，同时又不降低穿着舒适度。与普通纺织品相比，这可将环境温度设定值降低7.1 °C，大大优于其他辐射加热纺织品。这种大的温度设定点扩展可以以具有成本效益的方式节省超过 35% 的建筑供暖能源，最终有助于缓解全球能源和气候问题。
Warming up human body by nanoporous metallized polyethylene textile. Nat. Commun. 8, 496 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00614-4.
4. 斯坦福大学崔屹 Adv. Mater.: 正穿保暖，反穿降温-用于人体辐射加热和冷却的织物
维持人体温度是生活最基本的需求之一，而维持环境温度恒定往往需要消耗大量的能量。为了在保持人体热舒适的同时，扩大环境温度范围，个人热管理的概念最近在通过人体红外辐射控制分别在保温和降温织物中得到了证明。在同一种纺织品中实现这两种相反的功能将是一项激动人心的科学挑战和重大的技术进步。在Science和Nat. Commun. 分别发表关于降温和保温织物的文章后，斯坦福大学崔屹教授等人在Sci. Adv. 展示了一种双模式织物，只需几十微米的薄薄一层，就可以在没有任何能量输入的情况下使用同一块织物执行被动辐射加热和冷却。这种双模织物由嵌入红外透明纳米多孔聚乙烯 （nanoPE）层内的双层发射器组成。实验结果表明，发射率和纳米 PE 厚度的不对称特性可以导致两种不同的传热系数，并在低发射率层朝外时实现加热，当高发射率层朝外时通过将织物由内而外穿来冷却。简单地说，就是正面穿时，可以最大限度减少人体对外的热辐射，实现体表保温；反面穿，最大限度增加人体对外辐射，可以帮助人体散热，实现正穿保暖，反穿降温。这项发明的数值拟合进一步预测了双模织物可以使得人体温度舒适区扩大14.7 ℃，从而有望显著降低大量的建筑物制冷/制热能耗。
A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling. Sci. Adv. 3, 11 (2017). https://doi.org/10.1126/sciadv.1700895.
更令人惊奇的是，这项神奇的研究在三年之后就完成了从“上书架”到“上货架”的过程，实现了实际应用。2020年10月，崔屹教授旗下的EEnotech公司推出了使用双模辐射织物的第一代限量版保温夹克，该夹克厚度仅为0.5 mm（最薄可达0.3 mm)、可在10 °C的环境中为人们提供舒适感，具有超轻、防风防雨、两级保暖等特征。其中，银色面外穿保暖，冷黑色面外穿降温。（P.S. 目前这款通用夹克在EEnotech官网有售哦）
5. 维克森林大学David Carroll &东华大学王宏志Small封面: 用于个人热管理的超薄、可水洗和大面积石墨烯纸
开发新型个人热管理材料，实现服装调温功能的双向性是帮助人体对抗极端恶劣、复杂多变的环境下的体温骤变的有效方法，但目前仍然是一个挑战。此文中，东华大学王宏志教授与美国维克森林大学David Carroll教授报道用于个人热管理 （PTM）的独立式、灵活/可折叠和可穿戴的双功能超薄石墨烯纸。作者采用高通量的刮涂法和基于维C的热液还原制备了力学性能优异的超薄结构石墨烯纸（1~8 μm），并应用于服装上。研究结果表明，在严寒环境下，石墨烯纸优异的导电性赋予其卓越的焦耳加热特性，使其能够在3.2V的低电压下实现快速升温，提供 42 °C 的额外温暖。此外，在炎热环境下，基于石墨烯纸的高面外导热性，它能在7秒内将服装内环境的热量快速导向外环境，实现被动冷却，帮助人体体表环境降温。 石墨烯纸的冷却效果优于普通棉纤维，而且随着厚度差的增加，这种优势会更加突出。目前制备的双功能石墨烯纸具有抗弯曲循环超过 500 次和洗涤时间超过 1500 分钟的高耐久性，表明其在可穿戴 PTM 中的巨大潜力。
Ultrathin, Washable, and Large-Area Graphene Papers for Personal Thermal Management. Small 13, 1702645 (2017). https://doi.org/10.1002/smll.201702645.
6. 浙江大学柏浩Adv. Mater.: 一种受北极熊毛启发的隔热纺织物
生活在极冷环境中的动物例如北极熊，得益于其空心毛发，已表现出非凡的保暖能力。在合成纤维中模仿这种策略将激活智能织物进行有效的个人热管理，这在防止热量损失和提高房屋保温能源消耗效率方面将发挥重要作用。有鉴于此，浙江大学的柏浩教授等人在此文中，使用“冷冻纺丝”技术实现了具有对齐多孔结构的纤维的连续和大规模制造，用以模仿北极熊的毛发，这是其他方法难以实现的。研究结果表明，用这种仿生纤维织成的纺织品具有优良的隔热性能以及良好的透气性和耐磨性。除了被动隔离热损失外，当掺入碳纳米管等电加热材料时，该纺织品还可以用作可穿戴加热器，以诱导快速热响应和均匀电加热，同时保持其柔软和多孔的特性，从而拥有良好的穿着舒适性。
A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair. Adv. Mater. 30, 1706807 (2018). https://doi.org/10.1002/adma.201706807.
7. 加州大学圣地亚哥分校陈仁坤&徐升Sci. Adv.: 用于个性化温度调节的可穿戴热电设备
体温调节对能量消耗以及人类舒适和健康具有重要的影响。然而，一个多世纪以来，冷却技术基本保持不变，而且无论居住人数的多少，仍然依赖于对整个空间进行制冷。热电装置（TED）的个性化温度调节可以显着减少冷却量并满足个性化的冷却需求，但由于缺少具有可持续的高冷却性能的柔性TED，目前还没有实现。本文中，加州大学圣地亚哥分校陈仁坤&徐升等研究者展示了一种可穿戴TED，它可以提供超过10 °C的冷却效果，并具有高性能系数(COP > 1.5)。由于在双弹性体之间加入刚性无机高热电优值（ZT）的热电（TE）柱，以及空气绝缘绝热层的新颖设计，该TED是第一个实现长期高柔性主动冷却的产品。此外，该TED在没有使用其他散热器的情况下，可以达到10 ℃以上的降温效果。该研究还将TED集成到了一件可穿戴的衣服中，展示了其对人体皮肤的长期、节能的降温和加热效果，研究结果表明：当环境温度在22 ℃到36 ℃之间变化，该衣物可保持人体皮肤在32 ℃的舒适温度。与传统的集中空间冷却方式相比，TED自动化的冷却能力为个性化冷却提供了巨大的节能潜力，从而在提高人体舒适度的同时大大降低能源消耗。
Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation. Sci. Adv. 5, eaaw0536 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw0536.
8. 中科大俞书宏院士Chem: 仿生碳管气凝胶实现超弹性和隔热
北极熊中空、轻质且不可润湿的毛发有助于其抵御极端寒冷的环境。受北极熊毛发微观结构的启发，中科大俞书宏院士团队采用一维纳米线作为模板，通过模板法制备宏观尺度的具有超弹性和出色隔热性能的轻质碳管气凝胶（CTA），这种材料具有了北极熊毛发的所有优点，包括轻质、防水和隔热性。这种由中空碳纤维管组成的CTA重量轻，最低密度仅为8 kg/m3，并且具有146 °接触角的优异防水性能。同时，CTA 的最低热导率仅为 23 mW·m-1·K-1，优于干燥空气。值得注意的是，仿生 CTA 材料显示出比北极熊毛更好的超弹性和抗疲劳性，优化后的气凝胶可以在 30% 应变下超过 100 万次压缩-释放循环和 90% 应变下超过 10,000 次循环后保持结构完整性。通过标准钢球下落测试，其回弹速度达1,434 mm/s，进一步证实了其超弹性。这种碳管气凝胶宏观合成的仿生设计为未来设计高性能轻质、超弹性和隔热材料打开了一扇窗，可广泛应用于仿生工程材料领域，如建筑、 航天等。
Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation. Chem 5, 1871-1882 (2019). DOI:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
不难看出，用于人体热管理的新型材料研发已经走上了快车道，越来越多的高性能材料和精妙的设计为未来智能人体热管理织物的发展提供了强大的动力，并且将为能源节约贡献力量。当然，人体热管理材料的实际应用过程中还存在诸多问题，但是我们也能欣慰地看见这些问题真正被解决，一部分优良的成果也已投入生产，未来仍可期。
文章转载自微信公众号：材料人