升降溫設備已經成為了人類生產生活中的重要組成部分，然而傳統的冷卻器及加熱器會消耗大量的化石能源。隨著資源與能源的日益短缺，我們亟需新型的個人熱管理管道來减少能源消耗。
近日，浙江大學與西湖大學的李强教授、仇旻教授（通訊作者）提出了一種Janus織物，這種織物具有加熱和冷卻兩種模式，與棉類等傳統紡織品相比，其加熱、冷卻模式分別可使類比皮膚的溫度升高8.1℃和降低6℃，這對於室外環境下個人舒適度改善以及提高室外工作者的健康狀況具有重要意義。相關論文以題為“Outdoor Personal Thermal Management with Simultaneous Electricity Generation”發表在Nano Letters上。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00400
在這項工作中，研究人員設計了多層納米結構來實現Janus織物的兩種模式。其中，納米多孔聚乙烯（nPE）由於其良好的紅外輻射透過性可用作加熱一側的襯底，加熱端由銅和鋅的納米顆粒塗層構成，用於吸收太陽光。同時，研究人員還將含氟丙烯酸酯單體的接枝聚合到納米結構上，來提高納米結構的機械效能及疏水性。在織物的冷卻端，研究人員在納米多孔聚乙烯的另一表面沉積了一層薄鋁（Al）作為反射鏡，以增强其在冷卻模式下的近紅外（NIR）光反射。此外，為了保證陽光在冷卻端的散射能力，並提高織物在冷卻模式下的中紅外發射率，研究人員還將表面帶有多孔PMMA塗層的膨脹聚四氟乙烯（ePTFE）用棉線縫在鋁鏡的頂部。Janus織物的整體厚度約為0.3毫米（圖1e）。
圖1.Janus紡織品的工作原理。（a）室內外個人熱管理中熱輻射和太陽輻照產生的熱量流入和流出；（b）計算出不同發射率ε的織物覆蓋人體在室內環境（藍色曲線）、室外環境（紅色曲線，假定α=0）和室外環境（青色區域）的額外輻射散熱率q（Ts =34℃）；（c）計算織物覆蓋人體皮膚的散熱率（Ts =34℃）（藍色曲線，ε=1；紅色曲線，ε=0）在室外光照環境下具有不同的陽光吸收率α；（d）裸露皮膚、白棉覆蓋皮膚、棉覆蓋皮膚和理想的Janus織物的舒適環境溫度（Ts =32-36℃）（散熱率q=100W m-2）；（e）Janus織物的工作原理和結構。
根據織物的光學效能表徵，我們可以發現，其加熱端的太陽光吸收率可以達到80%，紅外波段在大氣窗口發射率在16%左右。其冷卻端的太陽光反射率可以達到91%，紅外波段在大氣窗口的發射率在87%左右（圖2a和b）。通過熱成像攝像機，我們可以觀察到縫在T恤表面的織物起到了良好的加熱和冷卻效果（圖2c和d）。此外，研究人員還給出了白天和夜間Janus織物對比棉類織物的溫度測量曲線，從圖中我們可以看到，白天時，Janus織物在加熱和冷卻模式下的皮膚模擬器的溫度比黑棉和白棉覆蓋的皮膚模擬器溫度最高達到了8.1℃和6℃的差异（圖3a）。足以說明，Janus織物在室外環境下確實具備良好的加熱和冷卻作用。
圖2.紡織品的光學性質及其形態。（a）理想的室外紡織品和Janus紡織品在加熱模式下的陽光吸收率和熱發射率；（b）理想戶外紡織品和Janus紡織品在冷卻模式下的陽光反射率和熱發射率。黃色區域為太陽輻照度光譜，粉紅色區域為大氣窗口；（c）人體穿著縫在白色t恤上的Janus紡織品的熱影像和（d）光學影像；（e）Janus紡織品加熱側和冷卻側的SEM影像。白色比例尺為1μm。
圖3.室外熱量測。（a）日間熱量測結果。記錄的數據對應不同紡織品覆蓋皮膚模擬器的實时溫度（紅線，加熱模式；藍線，冷卻模式；紫線，黑棉；黑線，白棉；黃線，環境溫度）；（b）日間測試時所記錄的太陽輻照度功率密度及風速；（c）Janus紡織品室外熱管理能力量測裝置及皮膚模擬器原理圖；（d）夜間熱量測結果，加熱輸入功率100Wm-2。
為了驗證Janus織物也可用於發電，研究人員還將商用TEG設計在了織物與人體皮膚之間，來測試其發電效能（圖4a）。結果表明，由於織物與人體皮膚之間產生的顯著溫差（9.6℃左右，輸出電壓在33Vm-2左右），TEG的最大輸出功率密度在白天和夜間可分別達到69 mW m−2and 24 mW m−2。這種顯著的輸出功率足以為大部分的集成電路和感測器進行供電，說明Janus織物可成為熱電發電器件的重要組成部分。同時，研究人員還對Janus織物是否可清洗進行了驗證（圖4d和e），經過了5次清洗迴圈後，Janus織物的加熱端的光學效能沒有發生顯著變化，其冷卻端的反射率和發射率也只下降了0.002和0.009，說明此種織物具備良好的生產應用前景。
圖4.熱電發電性能測試和織物耐磨性表徵。（a）熱電發電測試原理圖；（b）白天和（c）夜間量測的覆蓋在皮膚表面的Janus織物的溫度變化曲線和TEG輸出電壓曲線。白天測試時，熱的一面被Janus紡織品的加熱端覆蓋，冷的一面是皮膚。對於夜間測試，熱的一面是皮膚，冷的一面被Janus紡織品的加熱模式覆蓋。紫色曲線是組織面積的輸出電壓；（d）加熱側和（e）冷卻側的可洗性試驗；（f）不同紡織品的水蒸氣透過率（WVTR）。黑色誤差棒表示平均量測數據與單個樣本之間的最大差异。
綜上所述，Janus織物可以同時加熱和散熱的特性對於室外個人熱管理的改善具有重要意義，其次對於可穿戴設備來說，Janus織物提供了一種新穎的熱管理方案，對於TEG等熱電發電器件的發展有著重要作用，並為新一代的柔性可穿戴電子設備的出現提供了可能。
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