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穿个“空调”在身上,新型石墨烯材料可自动降低穿戴者体温

作者: 学术头条

时间: 2020-08-01 13:16

穿上这件衣服,就像穿了个空调在身上

好像一到夏天,人们的烦恼就多了起来。无孔不入的蚊子,各种安全事故,黏糊的汗水,超强的紫外线......当然,这一切都归咎于夏日“炎炎”。为了能凉爽一点,人们也是绞尽脑汁搬出了各种解暑神器,冰棍空调凉席已成标配。但让人苦恼的是,咱也不能随时随地把空调挂在身上啊!

咦?好像也不是不可以?

近日,曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所就创造性地研发出一种热适应性服装。他们利用材料界的新星——石墨烯,使得这种服装具备自动降低穿戴者体温的功能也就是说,穿上这件衣服,就像穿了个空调在身上,俗称——可穿戴“空调”。

为了演示这一成果,该团队还开发了一件T恤衫内的原型产品,使穿戴者可以投射肉眼看不见但可以被红外摄像头读取的编码消息。

我为什么这么热!

要想搞清楚这件服装的原理,首先我们要真诚地问自己一个问题:我为什么感到热?

实际上,人体一直在以红外光谱中的电磁波的形式来辐射能量。如果一个人身穿一种理想化的材料,这种材料会吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射,那么这一过程就被称为黑体辐射。此时,热辐射最强,人也会感到最热。

因此,在炎热的气候中,想要降低体温,就需要将红外辐射的全部范围都反射出去,这可以通过使用红外透明纺织品来实现。而对于相反的情况,红外线屏蔽罩(即红外线不能被成功反射出去)就是使人体能量损失最小化的理想选择。急救毯就是一个典型例子,通常被用于处理极端体温波动的情况。

领导这项研究的 Coskun Kocabas 教授说:“控制热辐射的能力是多种关键应用的必要条件,例如高温环境下的人体温度管理。但是,在周围环境变热或变凉时保持这些功能是一项艰巨的挑战。”

而在此次的研究中,科学家们就利用石墨烯的出色热性能与导电性来实现热适应,即控制热辐射,以此达到在炎热的气候中降低体温的效果。

石墨烯的高导热性和柔韧性

我们知道,石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、六角型蜂巢晶体的二维碳纳米材料,其厚度为0.335nm左右,是目前为止最薄的二维纳米碳材料。

而且,石墨烯材料因其特殊的结构,具有很多特殊性能,优异的电学性能、极高的导热性、优异的阻隔性能、柔韧性等,“新材料之王”的名号当之无愧。

因次,在此次的研究中,科学家们就非常巧妙的利用了石墨烯的柔韧性,使其与各类纺织物(如棉、聚酯纱线等)完美结合在一起,最终制成衣物。该设备由红外透明聚合物层、多层石墨烯(MLG)、织物分离层和导电织物组成。

为了让这种衣服可以符合实际应用,该团队还测试了石墨烯在织物上的压缩和洗涤稳定性,结果证明:棉织物上附着的石墨烯片材电阻和红外发射率经过力学和水洗试验,均未出现劣化迹象。这显示出该装置具有较高的耐用性和灵活性。

而后,该团队进行了一系列实验发现:将离子可逆地插入石墨烯层中,并调节其电学和光学特性,就可以实现自动的热辐射调节。

石墨烯设备的红外辐射动态变化

当电压为 0 V 时,石墨烯具有高红外吸收能力,与设备连接的显示器就会显示它的实际温度。而当施加足够的电压差(>2.5v)时,离子液体嵌入到石墨烯层中,就会提高它的光学传导率,从而掩盖设备的实际温度。此外,石墨烯作为一个高导热层,会使织物的面内热扩散率加倍,增强从底部到表面的热传导效率。这在另一方面也有助于降低穿戴者的体温。

打开石墨烯新世界的大门

不难看出,该团队的研究着重发现了石墨烯纺织设备的电子控制热辐射功能,再在织物上加上嵌入式传感器,就可以为交互式服装打开一扇新世界的大门。

Kocabas教授补充说:“在不同形式的纺织品上成功演示光学特性的调制,可以充分利用纤维结构的广泛使用,并使能在红外和电磁波谱其他区域中运行的新技术用于纺织品展示,电磁通信等领域。”

该研究领域的下一步是解决对地球轨道卫星进行动态热管理的需求。因为轨道上的卫星面对太阳时,会经历温度过高的情况。这项技术可以通过控制热辐射并按需调节卫星温度,来实现卫星的动态热管理。

研究人员还在论文中提到,此次开发的石墨烯制备和转移方法可以很容易地集成到成熟的纺织基础设施中,因为这些方法与纺织工业和流水线加工能够兼容。这意味着或许不久之后,这种可穿戴“空调”衣物能够得到批量生产,普通人也能买得到。

再等等吧,毕竟,就算买不到,今年夏天也快过去了。

资料来源:

https://technuws.com/this-smart-fabric-can-reduce-your-body-temperature/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01694

https://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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