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私人订制的气候控制系统

发布时间:2019-03-18 09:09:52

双层黑碳和铜的结构可以使一种新型纤维保存或释放热量。

供图:Hsu等,《科学进展》(Science Advances)

双面外套大概是为数不多的很俗气一种衣服了,但一个工程师团队发明了一种新型织物,可以同时作为温暖和凉爽的服装。这种人工合成的织物根据穿着的不同表面来达到升温或降温的效果。研究人员已经在尝试将这个的发明商业化,不久之后就可以为穿戴者缓解气候控制焦虑并节省大量金钱。

为住宅加热和降温占了美国家庭能量消耗的比重,约为40%。所以,研究人员们已经开始寻找其他途径来控温,例如服装。加温的实现比较简单:设计出能够更好储存身体热量的绝缘材料。而降温就显得较难做到,因为纺织品在正常情况下是仅次于皮肤的储热材料。近出现的一个策略是创造一种可以透过人体产生的红外线辐射(IR)的材料(因为人体产生的红外线辐射占了人体流失的热量的40%至60%),从而使得人体发热散发到空气中。

近日,斯坦福大学的材料科学家Yi Cui和同事们将绝缘材料和IR散热途径通过一个层状织物构造结合在一起,根据穿着的里外表面来加温或降温。大部分厚度为45微米的材料都是聚乙烯(PE)制成的,这是一种并不昂贵的塑料。在这一新发明的构造中,研究人员在PE上打了纳米级的孔。这种纳米-PE材料可以阻挡可见光,因此我们不能像看透PE制成的塑料保鲜膜一样看透这种材料。但身体的IR可以穿透这层材料。夹在中间的材料分为两部分:一侧覆盖着吸收(或释放)IR的炭黑,另一侧是一层只能微弱吸收和释放IR的极薄的铜。

重点在于,这一双层结构并不是正好位于织物结构的中间,而是位于一侧。双层结构离皮肤更近时,碳层处于外侧。由于碳层吸收人体热量,它会将热量再次辐射到周围环境中,从而为穿戴者降温;而内侧的铜层则会阻止碳层将热量再次辐射向皮肤。但当反穿衣服时,双层结构就处于远离身体一侧,阻止碳层从皮肤吸收热量。

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而且不论是吸收的还是再次辐射的热量都会被此时处于外侧的铜层反射回皮肤,从而有效储存身体热量。

Cui和他的同事们在近一期的《科学进展》杂志上发表了这项技术,称该技术十分奏效,根据材料的穿着方式可以制造的温差为6.5°C。该技术足以使恒温器在冬天的温度调低一些,在夏天可以调高一些,而仍然可以让建筑中的人感到舒适。此外,计算机模拟显示这一温度浮动范围应扩大超过两倍。

“这篇论文令人十分兴奋。”麻省理工学院的一位机械工程师Evelyn Wang说,“我认为这是一个精巧的理念,而且十分简单。”与其他热量调节技术不同的是,这种材料依靠的是被动的加热或降温效应,即不需要外界能量维持工作,因此使得生产和保养都更加容易。

Cui和他的同事们已经开始将技术商业化,并且计划成立一个公司,在接下来的几年中将该技术推向市场。Cui称,碳层和铜层像聚乙烯一样厚度极薄,因此价格便宜。但未来织物还需要跨越其他实际应用障碍,例如在清洗后仍能保持持久性和稳定性。

翻译:谢梦莹

审稿:董子晨曦

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