能源危机和气候变化是21世纪人类面临的两大问题。传统化石能源的大量消耗带来温室气体过度排放，严重扰乱了气候平衡，继而导致全球变暖和极端天气频发。科学家们为解决这两个问题进行了大量研究，一方面努力开发可再生新能源，例如太阳能、风能、海洋能等；另一方面，减少当前的能源消耗和改善能源利用效率同样重要。
有研究表明，在美国各类能源策略中，通过使用节能电器或节能建筑设计来提高能源效率是解决能源问题最具有“成本效益”的方法。降低室内温度调节需求将对全球能源使用产生重大影响。传统的方法一直侧重于设计建筑保温和实现建筑智能温度控制，我们提出“人体热管理”概念，将提供一种极具前景的节能新方案。
人体热管理只对人体及其周围环境进行温度调控，而不浪费整个建筑的多余能量。由于人体的热质量比整个建筑的热质量小得多，相比调节室内温度，人体热管理将会具有更高的能源效率。为了实现这一目标，有必要更好地控制人体在室内环境中的散热过程。在33.5℃的正常皮肤温度，人体发出的红外（IR）波长范围为7～14μm，峰值辐射波长为9.5 μm。在典型的室内场景中，红外辐射散热占人体总热量损失的50％以上。人体热管理的目标是夏季加强红外辐射耗散，冬季抑制红外辐射耗散。然而，传统纺织品不是为红外辐射控制而设计的。基于此，我们将多样的纳米技术应用在“人体热管理”中，通过多种纳米策略，设计了一系列新的材料来实现“冬暖夏凉”的各具特色的节能织物。
首先我们研制了一类金属银纳米线涂层纺织品（如图144.14所示），这种涂层的纺织品比普通布料具有更高的红外反射率和更好的隔热性能，可以将人体40％以上的红外辐射反射“回到”人体，使人体升温，抵御冬季严寒。同时，银纳米线的多孔结构并没有牺牲原有布料的透气性和耐久性，能够保持与普通布料相同的透气性和耐久性。相关计算表明，与传统的室内加热器相比，这种银纳米线涂层布料可以有效地加热人体，这种局部加热的纳米线布可以减少数百瓦的电力需求，由此减少我们对化石燃料的依赖。
图144.14 银纳米线涂层保暖织物
另一方面，对于夏季炎热的天气，我们同样开展了“散热织物”系列研究。我们从家庭常用的聚乙烯（PE）保鲜膜上受到启发，研制了能够充分透过人体红外辐射（IRtransparent），但是却和普通布料一样非透明（visiblelightopaque）、透水性和透气性良好的纳米多孔聚乙烯散热织物（如图144.15所示）。为提高人体红外辐射透过性能，我们通过纳米化多孔设计，利用微针打孔技术，制备了孔径在50～1000 nm的多孔聚乙烯（nanoPE），并引入亲水的聚多巴胺（PDA）涂层来增强织物汗液毛细的作用，同时实现高水蒸气透过率（WVTR），然后将棉网夹在两层PDA-nanoPE之间，通过点焊进行黏结，以增强其机械强度，再精心选择涂层的厚度、微孔尺寸和网孔填充比，最终制备出PDA-nanoPE-棉网复合织物，兼具良好的光学和热性能。该复合织物的平均红外透射率为77.8％，不透明度高于99％。在穿着时，皮肤温度可实现比穿棉纺织品时低2.0℃，拥有高效散热特性。
图144.15 非透明纳米多孔聚乙烯复合散热织物及其制备方法
更进一步，我们研制了可规模化、工业化量产的由纳米多孔聚乙烯微纤维制成的节能织物（如图144.16所示）。相比商业棉布，nanoPE量产织物依然具备优良的冷却效果，可实现2.3℃的室内人体降温，并节约20％能耗。在纳米多孔聚乙烯微纤维中嵌入纳米粒子，不仅保证了可见的不透明度，而且达到了像棉花一样柔软的效果。除此之外，此类纳米面料还展示了一系列引人注目的耐磨性特征。随着大规模生产，它可以作为一种可持续的节能解决方案，很快被广泛采用来改善我们的生活方式。我们希望纳米面料不仅能彻底改变纺织品的散热方式，还能在降低能源消耗、实现全球可持续发展方面取得突破性进展。(www.xing528.com)
除此之外，我们还研制了一种“双模节能织物”，即在同一块织物上实现“正穿保暖、反穿降温”的双功效（如图144.17所示）。该双模织物将以碳为材料的高辐射系数层（辐射系数为0.9）和以铜为材料的低辐射系数层（辐射系数为0.3）分别放于两层不同厚度的纳米多孔聚乙烯织物（碳辐射极一侧的厚度为24μm，铜辐射极一侧的厚度为12μm）中，通过控制辐射率、纳米聚乙烯的厚度以及辐射体离热侧（人体皮肤）的远近来控制不同的传热系数，最终实现通过翻转即可切换为加热或冷却模式。即当低辐射系数层面向外时，织物会被加热；而当高辐射系数层面向外时，织物会被冷却。
图144.16 大规模可工业量产的纳米多孔聚乙烯节能织物
图144.17 双模节能织物设计
随着更加深入的研究，我们发现织物外表面的红外辐射率对衣服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。因此，我们还设计了一种具有纳米孔洞、外覆纳米金属银涂层的聚乙烯织物（如图144.18所示），能够有效减少人体热量的耗散。在舒适度不变的条件下，当人们穿上这种衣服后，外界供暖温度可因此降低7.1℃。这种织物由红外透明（透过率为96％）的纳米聚乙烯和高红外反射（反射率为98.5％）的纳米金属涂层复合构成，织物外表面的红外辐射率仅有10.1％。进一步的研究表明，该织物具有很好的耐磨性、吸水性、透气性和着色性，作为未来的新型织物，有广阔的应用前景。
图144.18 Nano-Ag/PE复合织物制备示意图及实物照片
最后做一个小结。我们将多样的纳米技术引入能源、环境和织物领域，带来很多新奇的发现，也获得了大量独创性研究成果。本文对相关的系列研究进行了简单总结，以此来展现21世纪纳米技术不可忽略的巨大应用价值和无穷的科技魅力！
（审核：孙永明）
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