高温疲劳国内外研究现状（华人科学家领衔研发多模态装备）

“当时虽然已经有了实验数据，但毕竟是实验室设备，我心里不太确定材料是否真能对汗水水汽产生响应。于是我让学生在背上贴一片出去跑一圈，微微出汗后孔全部打开，休息片刻之后又合上，这才确信这研究是真的成功了。”对于几个小时前刚发表的论文，2020年“35 岁以下科技创新 35 人” （Innovators Under 35）中国榜单得主、杜克大学机械工程与材料科学系教授徐伯均回忆称。

图 | 徐伯均（来源：徐伯均）

让汗斑成为过去！日前，徐伯均研发出一种新型材料，通过使用固态力学而不是电子学来打开通风口。当材料检测到汗水时，它会打开一系列通风孔让热量逸出，未来有潜力作为各种类型服装的补丁。

当地时间 12 月 15 日，他的最新论文以《金属聚酰胺异质结构作为多模态自适应个人热管理的水分响应制动器》（Metalized polyamide heterostructureas a moisture-responSive actuator for multimodal adaptive personal heat management）为题，发表在 Science Advances 上。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

其表示：“有些外套在腋窝有着拉链设计可以打开通风，但我们希望身体出汗最多的部位通风不一定是腋窝，胸部和背部需要更多的通风，如果能有全范围的通风更好，但是打开这些区域的努力，如果有拉链几乎和脱掉衣服一样。在寒冷的天气里滑雪或徒步旅行的人，通常会穿好几层衣服，有了该材料这样他们就可在身体升温时调整衣服吸收的热量。”

本次设备含有由尼龙和金属异质结构组成的水分响应皮瓣，可同时调节对流、汗液蒸发和中红外发射，从而实现大幅快速的传热调节。

如开头所述，该设备被安装在一件市售 T 恤的背面，用于一个自愿的人体受试者的户外实验。设备的皮瓣在开始时处于关闭状态，当受试者开始运动大约 5 分钟时，设备的皮瓣被完全打开。

正如预期的那样，当受试者停止运动，汗液蒸汽完全消失时，设备的皮瓣恢复到最初的关闭状态。这说明设备的工作效果十分良好。

（来源：Science Advances）

此次要解决的问题在于，个人热管理纺织品和可穿戴设备，是扩大室内温度设定范围、降低建筑能耗、为用户健康提供舒适的局部热环境的有效策略。

通常，用于控制传导、对流、辐射或汗液蒸发的纺织品或可穿戴设备，可被单独开发出来。虽然目前已经有关于多种调控的研究报道，但还不能涵盖辐射的动态调控。

基于此，他研发出这款多模态自适应可穿戴设备。实验结果表明，金属层不仅在低发射率辐射加热中起着至关重要的作用，而且可提高尼龙的水分响应驱动性能。相比传统纺织品，研究中使用的多模态自适应机制，没有任何电力和能量输入，借此制备出的自适应可穿戴设备能将热舒适区扩大 30.7% 和 20.7%。

相比涤纶和弹性纤维混纺为代表的传统中型面料，该原型在襟翼关闭的情况下干燥时温暖 16%，而在襟翼打开时潮湿时凉爽 14%。因此是一种有前途的个人热管理新设计范式。

（来源：Science Advances）

建筑能源消耗目前占全球能源消耗的 30% 以上

建筑能源消耗目前占全球能源消耗的 30% 以上，大约占全球温室气体排放的 20%。其中，有一半的能源用于建筑供暖和制冷管理。此外，由于人口的快速增长和气候变化，预计到 2050 年底，热管理的比例将继续以约 80% 的速度增长。近年来，创造新型解决方案来克服这一能源-健康困境已成为一个关键研究课题。基于智能纺织品/可穿戴设备的个人热管理，是一种很有前途的有效策略，它可通过关注人体周围的当地环境而非整个建筑内部空间，来减少供暖、通风和空调的能源消耗。徐伯均表示，自己从 2015 年开始投入研究热辐射在下一世代的智能衣物以及可穿戴技术的应用。其中一项特别吸引他的特点是，热辐射的调控在理论上是可以与其他传统方式（传导、空气对流、以及汗水蒸发）同时进行、相辅相成的，他将其称之为多模态热管理。

（来源：Science Advances）

在可穿戴技术的研究领域中，以汗水驱动的自变形材料可以藉由控制开孔的大小来调整汗水蒸发速率，可以在流汗的情况下加速蒸发制冷。然而，其保暖效果并没有获得提升，调控的范围也有所局限。

本次研究受到前人的启发，将热辐射管理的设计理念实现在汗水驱动的自变形材料上。该团队选用常见的尼龙作为基底，金属薄膜作为热辐射阻绝层，大幅提升保暖模式的绝热效果，但在流汗的时候依然能藉由开孔进行制冷，因此有了更大的调控范围，即可同时调节对流、中红外发射和汗液蒸发。

在调整实验参数的时候，他们意外发现了金属薄膜除了作为热辐射阻绝层之外，还能增加尼龙的开孔响应速率以及曲率，而且在金属薄膜的厚度大约等于五十纳米的时候最好。做科研，在众多失败的实验当中，有符合预期的实验结果固然很令人高兴，但超出预期的结果更令人兴奋。

（来源：Science Advances）

因此，该团队与合作的团队花了许多时间，最终以基础的力学理论以及电脑模拟解释了这现象。该团队原本是以追求热管理的效能出发，中途因为好奇心驱使发现了新的力学的现象，最后幸运的在应用以及基础科学当中找到一个满好的平衡点。

具体步骤如下，首先要确认理想材料应该具备的性质。自变形材料要能够吸水膨胀，才能在流汗时向干的一边卷曲（原理类似于含羞草）。估算出特定曲率所需要的膨胀系数之后，该团队可以从文献找出适合的材料。

（来源：Science Advances）

尼龙作为最常见的纺织原料之一，又有符合要求的膨胀系数，很快就成为他们的首选。镀了金属之后，便是建造能控制湿度并测量曲率以及保暖制冷效果的设备，将不同参数的样品定量比较。

为了实现多模态热管理，尼龙层、银层和线性三嵌共聚物纳米复合材料上带有一系列的皮瓣，这些都是经过精心设计的。其中，尼龙 -6 作为应用最广泛的聚酰胺之一，能实现可逆的吸水和放水，进而通过吸湿膨胀实现双键驱动。

具体来说，当两侧有湿度差时，尼龙襟翼会向较低的湿度弯曲，当湿度差消失时，就会恢复到原始状态。这种湿度敏感性归因于尼龙链中的酰胺（-CONH）基团，它可以与水分子形成氢键。

这些皮瓣的打开和关闭，可调节人体和周围空气之间的对流和蒸发热交换。与其他报道水分响应材料比如纳菲薄膜、氧化石墨烯薄膜，尼龙是最常见的纺织材料。其具备成本低、高稳定性和机械性能较好等特点，并具有中红外透明度的优势。

（来源：Science Advances）

为了将辐射热调节纳入尼龙湿度响应执行器，徐伯均在顶部表面沉积了一层银，以实现较低的中红外发射率。当皮瓣在干燥状态下关闭时，该层能有效地抑制辐射损失。

相反，当皮瓣在潮湿的条件下打开时，辐射传热就会增加，因为人类的皮肤接近一个完美的黑色身体。有趣的是，由于夹紧效应，正确选择银薄膜的厚度，可显著提高尼龙薄膜的驱动性能。

除热管理外，可穿戴设备的色彩设计也是实际应用的一个重要因素。为了增加可穿戴设备的可视外观选择，该团队设计了一个顶部的颜色层，这种颜色层需要是中红外透明的，以保持设计的低发射率。

（来源：Science Advances）

但是，传统的有机染料在中红外具有很强的吸收。为此，经过仔细分析和筛选，徐伯均发现线性三嵌共聚物与氧化铜、三氧化二铁、Si 纳米颗粒结合之后，再加上纳米复合材料在中红外中的高透射率，故此可在保持不同颜色的同时保持低发射率。

通过掺杂氧化铜、三氧化二铁、硅纳米颗粒，分别可以得到黑色、棕色和浅黄色。通过改变线性三嵌共聚物纳米复合材料的浓度来调整颜色深度。同样，该器件的弯曲性能也得到了很好的维护。

（来源：Science Advances）

可用于雪地活动、登山等运动

该设备除了可提升一般生活当中的热舒适程度之外，这种大调控范围的自调节材料对于雪地活动、登山、或其他运动都能找到应用。

徐伯均表示，目前该团队的材料外观还是非常前卫，不太能融入一般的衣物或穿戴设备。如果能缩小开孔的尺寸到肉眼难以分辨的程度，或是发展纤维版本的多模态自变形热管理材料，可望能离实用更推进一步。目前，该团队现在正致力于在不降低效率的情况下使通风口尽可能小，并探索使用纳米复合材料的顶层，来使材料具有任何颜色且不改变其热属性。

（来源：Science Advances）

据介绍，2007 年获得中国台湾国立清华大学材料科学与工程学士学位，2016 年获得斯坦福大学材料科学与工程博士学位。2016-2018 年，他是斯坦福大学机械工程博士后研究员，主要研究范德瓦尔斯异质结构材料的电热冷却和热性能研究。后加入杜克大学任职。

徐伯均预计，通过在包装工业中广泛使用的金属化工具如防静电袋和防氧膜，可以实现大规模的制造。他还设想，随着先进材料、印刷工艺、图案化技术和动态设计的进一步发展，该设备将为能源效率和可穿戴技术带来巨大的机遇。

另外，该团队在论文里面有演示如何在不影响多模态热管理自变形的效能的情况下还能有做出各种不同颜色，因此这项技术也能应用在对太阳光的调控上。

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参考：1、Xiuqiang Li, Boran Ma, Jingyuan Dai, Chenxi Sui, Divya Pande, David R Smith, L. Catherine Brinson, Po-Chun Hsu.SCIENCE ADVANCES(2021)

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