今日Joule:崔屹教授組多色降溫織物問世

2021-01-21 騰訊網

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

眾所周知，人體向環境散熱過程中，衣物起著至關重要的作用。如果衣物能實現良好的熱管理，不僅可以大大提高人體的舒適度，更是對節約建築物能耗有著潛在的巨大影響。

//

要溫度也要時尚

崔屹教授組成功合成紅黃藍三色高效降溫織物

//

研究背景

眾所周知，人體向環境散熱過程中，衣物起著至關重要的作用。如果衣物能實現良好的熱管理，不僅可以大大提高人體的舒適度，更是對節約建築物能耗有著潛在的巨大影響。

研究表明，人體皮膚的紅外發射率高達0.98，幾乎等同於黑體，在7-14微米的波長範圍內有強烈的紅外輻射，並且在9.5微米處達到峰值。更為值得注意的是，在室內環境下，人體通過熱輻射的散熱佔總散熱的50%以上。然而，傳統衣物並未對人體熱輻射有所調控，所以並未達到理想的熱管理。基於對調控衣物紅外性質的研究，史丹福大學崔屹教授團隊已經基於聚乙烯材料在紅外透明室內降溫衣物（Science, 353,1019 (2016);Nature Sustainability,1, 105 (2018)）、低紅外發射率保溫衣物（Nature Communication, 8, 496 (2017)）、室外降溫衣物（Advanced Materials, 30, 1802152 (2018)）、雙模式降溫/保溫衣物（Science Advance,3 (2017)）取得一系列成果。然而，在進一步的實際應用中，這些衣物需要解決的一大困難即是如何取得不同的顏色外觀，並且保留聚乙烯材料理想的紅外透明性質。傳統的染色方法並不適用，因為常用的傳統有機染料通常會有不同種類的化學鍵，它們會對在中紅外波段的人體輻射有著強烈的吸收，從而大大降低紅外透過率。再者，聚乙烯的化學惰性和缺少極性化學鍵使得讓化學染料和它的表面粘附變得十分困難。

成果簡介

最近Joule上發表了題為「Temperature Regulation in Colored Infrared-Transparent Polyethylene Textiles」的文章，報導了解決上述難題的方法。通過對無機納米顆粒的成功選擇和使用，史丹福大學崔屹教授團隊成功實現了對聚乙烯材料的染色，並同時保留其獨特的紅外透明性能。通過無機納米顆粒和熔融的聚乙烯混合，也同時解決了染色的均勻性和穩定性。崔屹教授團隊同時也報導了染色聚乙烯的工業級拉絲及紡織。紡織的織物產品不僅有80%的紅外透過率，和普通棉織物比有著1.6°C~1.8°C的降溫效果，並且在多次洗滌之後仍保持良好的穩定性。這項工作將為輻射降溫織物的實際應用及商業化提供更為堅實的基礎。

圖1 (a) 輻射降溫織物的染色示意圖 (b) 選用的無機染料粉末的照片 (c) 選用的無機染料顆粒和傳統有機染料的FTIR吸收光譜比較。 (d) 普魯士藍, (e) Fe2O3 及 (f) 矽納米顆粒的SEM照片。

材料表徵及性能測試

圖2. 染料納米顆粒和聚乙烯混合的複合膜的(a) 照片, (b) UV-VIS反射光譜,

(c) FTIR透射光譜及 (d) 可見光不透明度光譜

圖3. (a) 通過工業擠出工藝製造的染色聚乙烯纖維的照片 (b) 拉伸強度測試證明了染色的聚乙烯纖維和棉有相當的拉伸強度。 (c)藍色普魯士藍-聚乙烯, (d) 紅色Fe2O3-聚乙烯 和 (e) 黃色矽-聚乙烯的光學顯微鏡照片 (f – h) 通過光學顯微鏡展示的編織圖案 (i – k) 有著良好可穿戴性的編織織物照片

圖4. (a) 染色及未染色的聚乙烯織物的紅外透過率測量結果

(b) 染色聚乙烯織物用洗滌劑洗滌之後染料質量損失百分比表格

圖5. (a) 裸露及蓋有織物的皮膚模擬加熱裝置的溫度測。織物包括棉、普魯士藍-聚乙烯、Fe2O3-聚乙烯和矽-聚乙烯織物 (b) 裸露皮膚和覆蓋著棉、普魯士藍-聚乙烯、Fe2O3-聚乙烯和矽-聚乙烯織物的紅外圖像

總結討論

這項工作巧妙地使用了無機納米顆粒作為聚乙烯材料的染料，實現了不同顏色的紅外透明織物的大規模製造。這樣的織物不僅在幫助人體輻射散熱方面得天獨厚，染色之後的不同顏色展示了其可以和傳統織物在色彩方面同樣美觀。作為染料的普魯士藍、三氧化二鐵、矽的納米顆粒同時滿足了無紅外吸收、無毒、低成本的要求。這三種染料分別可以產生藍、紅、黃這三種顏料三原色，通過混合，其他的顏色也可以很容易地獲得。通過大規模混料、擠出、紡織出的織物有著良好的色澤、高紅外透過率（~80%）、1.6 ~ 1.8 oC的被動冷卻效果及優異的洗滌穩定性。這項工作解決了輻射降溫衣物染色的瓶頸問題，進一步促進了輻射降溫衣服的真正應用。

通訊作者介紹

崔屹教授1993-1998年就讀於中國科學技術大學應用化學系，1998-2002年就讀於哈佛大學化學系， 2003-2005年間在加州大學伯克利分校從事博士後研究工作；並於2005年加盟史丹福大學。崔屹教授主要研究領域集中在能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進材料的合成與製造等等，以納米技術為核心，多學科交叉，多方向並進是崔屹教授課題組研究的重要特點。崔屹教授先後在Science(科學)、Nature(自然)、Nature Nanotechnology(自然?納米科技)、Nature Materials(自然?材料)、Nature Communication(自然?通訊)、JACS(美國化學學會雜誌)等世界頂級期刊發表高水平論文400餘篇，總被引頻次高達五萬多次。

題崔屹教授彩色聚乙烯微米纖維

製備智能溫控織物工作

張如範(清華大學)

自古華服舞霓裳，微米纖絲譜新章。

薄薄蟬翼自溫熱，翩翩羽衣卻清涼。

繽紛布料呈真色，絢麗彩綢散異光。

萬物機理通玄妙，無窮韜略胸中藏。

第一作者：Lili Cai (蔡麗麗)，Yucan Peng (彭雨粲)

單位：史丹福大學

本文通訊： Yi Cui

相關焦點

  • 2020年以來崔屹教授團隊最新研究進展梳理
    崔屹教授主要研究領域集中在能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進材料的合成與製造等等。以納米技術為核心，多學科交叉，多方向並進是崔屹教授課題組研究的重要特點。尤其是在電池納米技術領域的研究，崔屹教授團隊長期以來引領國際研究前沿方向。納米人團隊對崔屹教授2020年以來部分研究成果進行了及時匯總，供大家學習交流。
  • 最新Joule:崔屹、楊培東、黃雲輝、朱嘉、黃勁松、李泓等大牛成果...
    Close-Packed Nanowire-Bacteria Hybrids for Efficient Solar-Driven CO2Fixation,https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.03.001 02 李泓等：金屬鋰與鋰固體電解質的熱穩定性
  • 史丹福大學終身教授崔屹專訪
    史丹福大學終身教授 跨界的力量、成長的力量和自由的力量是引領崔屹早早成功成名的重要力量。 作為一名年僅41歲的斯坦福教授，崔屹已經培養近60位博士和博士後，在世界範圍培養了40多位教授，崔屹預計在5年後，培養的教授人數將達到100位。 崔屹還是一位創業家。9年前，崔屹創辦了第一家公司安普瑞斯（Amprius），生產矽負極高能鋰電池；2015年，崔屹和諾獎得主、美國前能源部部長朱棣文教授共同創辦了4CAir公司，生產霧霾過濾產品。
  • 美國史丹福大學教授崔屹訪問理化所
    美國史丹福大學教授崔屹訪問理化所 2018-03-12 理化技術研究所 【字體： 語音播報 　　應理化「未來論壇」、中國科學院仿生材料與界面科學院重點實驗室邀請，美國史丹福大學教授崔屹於
  • 史丹福大學材料科學與工程系終身教授崔屹做客北洋大學堂
    500聯盟主任崔屹教授在北洋園校區杏蓀樓A102報告廳做了題為Nanotechnology for Energy, Environment and Textile（納米技術在能源、環境、紡織品中的應用）的報告。
  • 崔屹教授團隊2019年Nature&Science等頂刊大盤點
    人物介紹崔屹於1998年本科畢業於中國科技大學化學系，之後就讀於哈佛大學，師從納米大咖Charles M. Lieber教授。2002年，崔屹進入加州大學伯克利分校，在Paul Alivisatos課題組從事博士後研究。2005年，加入史丹福大學從教至今。
  • 史丹福大學教授崔屹:中國新能源汽車大有可為
    崔屹認為，中國電動新能源車或將在未來超過美國：一方面，中國在電動車的核心技術領域起步緊隨美國之後，比如電池、電驅動系統、人工智慧；另一方面，基於中國龐大的市場需求和成熟的製造業基礎，中國電動車在產業化方面會迅速超越美國。
  • 斯坦福終身教授崔屹專訪:那些指引向成功的力量—新聞—科學網
    作為一名年僅41歲的斯坦福教授，崔屹已經培養近60位博士和博士後，在世界範圍培養了40多位教授，崔屹預計在5年後，培養的教授人數將達到100位。 崔屹還是一位創業家。9年前，崔屹創辦了第一家公司安普瑞斯（Amprius），生產矽負極高能鋰電池；2015年，崔屹和諾獎得主、美國前能源部部長朱棣文教授共同創辦了4C Air公司，生產霧霾過濾產品。
  • 專訪史丹福大學教授崔屹:矽負極鋰電池走向產業化
    新華社舊金山10月3日電 專訪：矽負極鋰電池快速走向產業化——訪史丹福大學華人教授崔屹　　在現代科學體系內，能開闢一個重要研究領域的科學家並不多，史丹福大學材料科學與工程系教授崔屹是其中一個。2016年，美國權威學術雜誌《科學》發表長篇通訊，專門介紹崔屹和他對矽負極鋰電池發展做出的開創性貢獻。
  • 「又是」崔屹!斯坦福能源中心迎首位華裔主任,上任四大計劃首次...
    當地時間 12 月 16 日，全球頂級能源中心之一的史丹福大學普雷考特能源研究所迎來首位華裔主任崔屹。　　當天，史丹福大學官網發消息稱，該校材料科學與工程系終身教授崔屹，將擔任該能源中心的新任主任，履新時間為 2021 年 1 月 1 日。
  • 斯坦福教授崔屹與廣西師大共建新能源研究中心
    2017年07月03日 19:21 來源：廣西新聞網 作者：李宇傑 張婷婷 編輯：陳麗婕 廣西新聞網南寧7月3日訊（通訊員 李宇傑 張婷婷）6月27日，美國布拉瓦尼克基金會與紐約科學院聯合宣布，史丹福大學廣西籍教授崔屹因其通過納米材料革新環境保護和持續能源的卓越貢獻
  • 斯坦福能源中心迎首位華裔主任崔屹，上任四大計劃首次曝光
    當天，史丹福大學官網發消息稱，該校材料科學與工程系終身教授崔屹，將擔任該能源中心的新任主任，履新時間為 2021 年 1 月 1 日。據悉，斯坦福能源中心成立於 2009 年，由校友 Jay Precourt 及其家人捐贈而成立，能源中心目前有 200 多位教授，每年的發展基金為 2000 多萬美元。11 年來，該中心一直在研究能源相關的科技、經濟和政策，斯坦福七大學院包括工程學院、商學院和法學院等均有參與。此外，它不僅支持能源教育，還為在史丹福大學、乃至全球範圍內建立能源創新生態系統做出過重要貢獻。
  • 崔屹聯手諾獎得主朱棣文:史上透氣性最好的N95級納米口罩
    不久前，「 高分子科學前沿」剛報導了史丹福大學崔屹教授僅僅花了三年時間就成功將實驗室研究成果「神奇布料」變成貨架上的「時尚夾克」，堪為科技成果快速產業化的典範！（三年，從實驗室到貨架，神奇面料！薄至0.3mm，正穿保暖，反穿降溫！納米大神崔屹教授設計的夾克上市了）　　1.
  • Joule:以文獻禮!崔屹、段鑲鋒、陳立桅、餘彥等祝賀中科大建校60...
    為慶祝中國科學技術大學六十周年華誕，Joule特別出版了中國科學技術大學六十周年校慶專輯，展示了包含錢逸泰院士、謝毅院士、李亞棟院士、楊培東院士、崔屹教授、段鑲鋒教授等在內的中科大校友們的科研成果，可謂學術界的一場盛宴。研之成理特別報導了崔屹、段鑲鋒、陳立桅和餘彥教授的文章，並對四位教授進行了專訪，在此感謝四位教授的大力支持，祝賀中科大60歲生日快樂！
  • 崔屹教授:新型石墨烯材料作為鋰負極載體 大大改善電池循環壽命
    打開APP 崔屹教授:新型石墨烯材料作為鋰負極載體 大大改善電池循環壽命 發表於 2019-04-12 10:41:57 最近
  • 專訪:矽負極鋰電池快速走向產業化——訪史丹福大學華人教授崔屹
    新華社舊金山１０月３日電 專訪：矽負極鋰電池快速走向產業化——訪史丹福大學華人教授崔屹　　新華社記者林小春　　在現代科學體系內，能開闢一個重要研究領域的科學家並不多，史丹福大學材料科學與工程系教授崔屹是其中一個。
  • 史丹福大學教授崔屹:未來五到十年,矽負極電池應用會越用越好
    8月15日上午，納米材料科學家、美國史丹福大學教授、首屆納米能源獎獲得者、清華五道口科學企業家項目授課師資崔屹，在清華大學五道口金融學院雲課堂聯合每經智享會推出的「在線大講堂·科學大家談」上指出，可以說，當下鋰電池的發展迎來了最好的時代。
  • 史丹福大學教授崔屹：未來五到十年，矽負極電池應用會越用越好
    8月15日上午，納米材料科學家、美國史丹福大學教授、首屆納米能源獎獲得者、清華五道口科學企業家項目授課師資崔屹，在清華大學五道口金融學院雲課堂聯合每經智享會推出的「在線大講堂·科學大家談」上指出，可以說，當下鋰電池的發展迎來了最好的時代。
  • 中科大校友崔屹獲美能源部勞倫斯獎
    近日，2020年度歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯獎(Ernest Orlando Lawrence Award)揭曉，共8位傑出科學家獲獎，其中一位就是中國科學技術大學9312校友-崔屹教授，以表彰其在能源科學和創新方面所取得的成就。這是第三位華人獲得該獎項，前兩位為楊培東和柏梅。
  • 崔屹《ACS Nano》綜述:教你玩轉「冷凍電鏡」
    2017年，史丹福大學的崔屹教授成了第一個「吃螃蟹」的人，他們率先使用冷凍電鏡對電池材料進行觀察，在關鍵界面處發現了新的原子結構，掀起了冷凍電鏡在電池材料領域研究的熱潮。 崔屹教授認為冷凍電鏡技術在鋰離子電池中還應該有更廣闊的應用，如Li金屬負極與集流體之間的晶格失配、中間產物的空間分布以及亞穩態中間體的結構等。