将“空调”穿在身上

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如何节约能源正成为人类面临的一项持久战。而为我们制造冬暖夏凉效果的空调，就是能源消耗的“主力”。中国标准化研究院资源与环境标准化研究所的数据显示，中国能源总消费中建筑能耗占比超过30%，其中空调系统的能耗又占建筑总能耗的40%。

除了不断开发使用像太阳能、风能这类可再生能源外，节约能源最直接的方式还是要从日常使用场景中减少消耗。

“如果能给身体直接降温，而不是通过空调给人所处的房屋来降温，那么空调温度升高1至4摄氏度就能够节约7%至45%的能源。”美国斯坦福大学的副教授崔屹对《第一财经周刊》说。

崔屹和其斯坦福大学的研究团队就在做着这样的事情―通过改变人们日常穿着的服装纺织面料，达到个人温度控制的目的。崔屹的团队，运用纳米、光子和化学技术，研发了一款具有冷却功能的多孔微观结构的聚乙烯材料。

传统布料通过蒸发汗水散热，如果在夏天穿上这种新型面料制成的衣服，能让人体的体感比穿纯棉服装降低3摄氏度左右，就像人体穿着一款可自动降温的“空调衣”，从而降低对使用空调降温的依赖。

人体散热的形式主要有两种：排汗和辐射红外线。包括人体在内的所有物体都会以红外辐射形式散发热能，这是一种隐形光波。

在非运动状态下，人体会散发出波长在7至14微米范围内的中红外线，如果这些红外线能够畅通无阻地发散出去，则可以带走人体50%的热量。普通衣服的面料―全棉或者人造聚酯纤维，对红外线的透过率很弱，只允许1.5%的红外热辐射穿过，这就会将热量包裹在身体周围，使我们在夏天感觉到炎热。

同时，由于透明的材料不能用来制作服装，就意味着新材料要能够反射可见光。因此，可降温面料最大的挑战在于，它需要同时满足既能穿过红外线、又能反射可光这两个要求。

这些要求在光学理论的验证下其实能够实现。通常可见光的波长范围在400至700纳米之间，如果材料里有直径和可见光差不多大的小孔，让可见光发生散射，从而不透明。而中红外线的波长远大于小孔直径，只能穿透而无法反射。

根据经验，斯坦福的这个团队很快找到了这种能够穿透红外线的材料：聚乙烯或聚丙烯，它们都属于高分子化学结构材料。同时化学分子式比较简单，只由C-C键和C-H键组成，对红外光的吸收较弱，穿透性较好。

我们日常生活中最常见到的材料是聚乙烯，这是乙烯经过聚合制成的一种热塑性树脂，也就是塑料袋或保鲜膜的主要成分。聚乙烯具有耐腐蚀性、电绝缘性、无毒、易加工以及价格低廉的优势。

理论模型中，材料上的纳米小孔能够让聚乙烯变得具有反射可见光的能力，所以团队还需要寻找一款多孔纳米聚乙烯材料。

事实上，在电动汽车上使用的高能锂电池，为了防止阴极和阳极短路，会用隔膜将两极分开。隔膜的主要成分就是聚乙烯，它呈白色，表面有很多纳米小孔―这都基本符合需求。

崔屹他们将隔膜放置在电子显微镜下，发现在纳米多孔材料中分布着许多连通的孔隙，它们的直径在50至1000纳米之间。空隙的直径范围覆盖了可见光波长的范围，能够让可见光发生散射，而其红外线波长又远远大于直径区间。根据测试，这款纳米多孔聚乙烯材料可以让96%的红外热辐射穿透。

但找到合适的材料，新型面料的研发才完成第一步。我们日常选购服装时，服装的透汗性、透气性、牢固性等都会在考虑范围内，所以新型面料同样需要具备这些性能。

保鲜膜无法透水，就表明聚乙烯的亲水性不佳。因为要对纳米聚乙烯材料做亲水性改进，才能拓宽聚乙烯材料的使用范围。

仿生学已经证明，在水溶液中，化学成分左旋3.4-二羟基苯丙氨酸的衍生物3.4-二羟基苯丙氨，即多巴胺，能够产生氧化聚合，再通过发生黏液固化的反应，稳定在固体材料表面，形成聚多巴胺，这种物质几乎能在所有材料表面形成一层强粘附的复合层。

聚多巴胺具有良好的修饰性能。它表面含有丰富的官能团，能使修饰后的材料的亲水性、耐久性得到提升，也有利于进一步对材料做功能化修饰，改善材料的表面性能。毕竟，对高能锂电池隔膜的改造比直接研发全新面料要容易些。团队在多孔纳米聚乙烯表面打孔，涂上了聚多巴胺，这样材料就具备了高强度的水蒸气透过率，可以更好地排汗。

透气性检验的是材料的空气传输流量，表示面料在风吹入时可以带走身体的热量。传统的棉纺织产品中，透气性依靠棉纺织纱线的间距实现，而崔屹团队在纳米聚乙烯材料上打的小孔成了透气的窗口。小孔的大小和人的毛发直径差不多，在视觉上不会受到影响。

但附着聚多巴胺涂层的纳米聚乙烯材料还只是单层材料，无法抵抗多次清洗和穿着磨损。为了使材料更适合做衣服，团队制造了三层系列：两片纳米聚乙烯中间加入棉网布做分离处理，达到所需要的强度和厚度。

在测试新材料与同厚度的棉织物的冷却能力时，团队将两种材料的样品放在和皮肤一样温度的表面，测量每种材料的热辐射性能。实验对比结果显示，穿着新材料，人体皮肤温度仅会升高0.7摄氏度，同样条件下，棉织材料会令温度增加3.5摄氏度。

当然，实验室的成功并不代表一定适用于市场。想要材料能够被广泛应用于服装制造业，还需要在增加舒适度和降低成本上下功夫。“我们需要将材料做成纺织品和纤维，这样穿起来才舒服。想要大规模制作，必须能够大幅降低成本，但作为塑料袋原材料的聚乙烯，价格本身较为便宜，后期仅需要加一些工艺费用。”崔屹说。

而这款材料的应用领域也不局限于服装业，类似野外的帐篷、车辆遮阳罩、防紫外线大棚等户外设施都可以使用。

其更深层的意义在于，不使用外部能源，通过调整材料的红外辐射散发来达到控温目的。这款新型面料，或许能让已有上千年历史的中国棉纺织材料，发挥出更多的功能。