穿個「空調」在身上,新型石墨烯材料可自動降低穿戴者體溫

2020-12-20 鈦媒體APP

文丨學術頭條

好像一到夏天，人們的煩惱就多了起來。無孔不入的蚊子，各種安全事故，黏糊的汗水，超強的紫外線......當然，這一切都歸咎於夏日「炎炎」。為了能涼爽一點，人們也是絞盡腦汁搬出了各種解暑神器，冰棍空調涼蓆已成標配。但讓人苦惱的是，咱也不能隨時隨地把空調掛在身上啊！

咦？好像也不是不可以？

近日，曼徹斯特大學的國家石墨烯研究所就創造性地研發出一種熱適應性服裝。他們利用材料界的新星——石墨烯，使得這種服裝具備自動降低穿戴者體溫的功能。也就是說，穿上這件衣服，就像穿了個空調在身上，俗稱——可穿戴「空調」。

為了演示這一成果，該團隊還開發了一件T恤衫內的原型產品，使穿戴者可以投射肉眼看不見但可以被紅外攝像頭讀取的編碼消息。

我為什麼這麼熱！

要想搞清楚這件服裝的原理，首先我們要真誠地問自己一個問題：我為什麼感到熱？

實際上，人體一直在以紅外光譜中的電磁波的形式來輻射能量。如果一個人身穿一種理想化的材料，這種材料會吸收所有照射到它表面的電磁輻射，並將這些輻射轉化為熱輻射，那麼這一過程就被稱為黑體輻射。此時，熱輻射最強，人也會感到最熱。

因此，在炎熱的氣候中，想要降低體溫，就需要將紅外輻射的全部範圍都反射出去，這可以通過使用紅外透明紡織品來實現。而對於相反的情況，紅外線屏蔽罩（即紅外線不能被成功反射出去）就是使人體能量損失最小化的理想選擇。急救毯就是一個典型例子，通常被用於處理極端體溫波動的情況。

領導這項研究的 Coskun Kocabas 教授說：「控制熱輻射的能力是多種關鍵應用的必要條件，例如高溫環境下的人體溫度管理。但是，在周圍環境變熱或變涼時保持這些功能是一項艱巨的挑戰。」

而在此次的研究中，科學家們就利用石墨烯的出色熱性能與導電性來實現熱適應，即控制熱輻射，以此達到在炎熱的氣候中降低體溫的效果。

石墨烯的高導熱性和柔韌性

我們知道，石墨烯是從石墨材料中剝離出來的、六角型蜂巢晶體的二維碳納米材料，其厚度為0.335nm左右，是目前為止最薄的二維納米碳材料。

而且，石墨烯材料因其特殊的結構，具有很多特殊性能，優異的電學性能、極高的導熱性、優異的阻隔性能、柔韌性等，「新材料之王」的名號當之無愧。

因次，在此次的研究中，科學家們就非常巧妙的利用了石墨烯的柔韌性，使其與各類紡織物（如棉、聚酯紗線等）完美結合在一起，最終製成衣物。該設備由紅外透明聚合物層、多層石墨烯（MLG）、織物分離層和導電織物組成。

為了讓這種衣服可以符合實際應用，該團隊還測試了石墨烯在織物上的壓縮和洗滌穩定性，結果證明：棉織物上附著的石墨烯片材電阻和紅外發射率經過力學和水洗試驗，均未出現劣化跡象。這顯示出該裝置具有較高的耐用性和靈活性。

而後，該團隊進行了一系列實驗發現：將離子可逆地插入石墨烯層中，並調節其電學和光學特性，就可以實現自動的熱輻射調節。

石墨烯設備的紅外輻射動態變化

當電壓為 0 V 時，石墨烯具有高紅外吸收能力，與設備連接的顯示器就會顯示它的實際溫度。而當施加足夠的電壓差（>2.5v）時，離子液體嵌入到石墨烯層中，就會提高它的光學傳導率，從而掩蓋設備的實際溫度。此外，石墨烯作為一個高導熱層，會使織物的面內熱擴散率加倍，增強從底部到表面的熱傳導效率。這在另一方面也有助於降低穿戴者的體溫。

打開石墨烯新世界的大門

不難看出，該團隊的研究著重發現了石墨烯紡織設備的電子控制熱輻射功能，再在織物上加上嵌入式傳感器，就可以為交互式服裝打開一扇新世界的大門。

Kocabas教授補充說：「在不同形式的紡織品上成功演示光學特性的調製，可以充分利用纖維結構的廣泛使用，並使能在紅外和電磁波譜其他區域中運行的新技術用於紡織品展示，電磁通信等領域。」

該研究領域的下一步是解決對地球軌道衛星進行動態熱管理的需求。因為軌道上的衛星面對太陽時，會經歷溫度過高的情況。這項技術可以通過控制熱輻射並按需調節衛星溫度，來實現衛星的動態熱管理。

研究人員還在論文中提到，此次開發的石墨烯製備和轉移方法可以很容易地集成到成熟的紡織基礎設施中，因為這些方法與紡織工業和流水線加工能夠兼容。這意味著或許不久之後，這種可穿戴「空調」衣物能夠得到批量生產，普通人也能買得到。

再等等吧，畢竟，就算買不到，今年夏天也快過去了。

資料來源：https://technuws.com/this-smart-fabric-can-reduce-your-body-temperature/https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01694https://www.zmescience.com/science/graphene-clothes-thermal-regulation-18062020/https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-smart-textiles-developed-for-heat-adaptive-clothing/

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