简述对抗人体失温的保温材料

甘肃马拉松失温事故让大众意识到失温的可怕与危险性，引发学者和大众对对抗人体失温的保温材料加以关注和研究。其实，人体热管理（Personal thermal management）是一个越来越受到研究者关注的领域。

01仿生碳管气凝胶实现超弹性和隔热

北极熊中空、轻质且不可润湿的毛发有助于其抵御极端寒冷的环境。受北极熊毛发微观结构的启发，科研团队采用一维纳米线作为模板，通过模板法制备宏观尺度的具有超弹性和出色隔热性能的轻质碳管气凝胶（CTA），这种材料具有了北极熊毛发的所有优点，包括轻质、防水和隔热性。这种由中空碳纤维管组成的CTA重量轻，最低密度仅为8kg/m3，并且具有146 °接触角的优异防水性能。同时，CTA 的最低热导率仅为 23mW·m-1·K-1，优于干燥空气。值得注意的是，仿生 CTA 材料显示出比北极熊毛更好的超弹性和抗疲劳性，优化后的气凝胶可以在 30% 应变下超过 100 万次压缩-释放循环和 90% 应变下超过 10,000 次循环后保持结构完整性。通过标准钢球下落测试，其回弹速度达1,434mm/s，进一步证实了其超弹性。这种碳管气凝胶宏观合成的仿生设计为未来设计高性能轻质、超弹性和隔热材料打开了一扇窗，可广泛应用于仿生工程材料领域，如建筑、 航天、家电科技等。

Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation. Chem 5, 1871-1882 (2019). DOI:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025

02用于个性化温度调节的可穿戴热电设备

体温调节对能量消耗以及人类舒适和健康具有重要的影响。然而，一个多世纪以来，冷却技术基本保持不变，而且无论居住人数的多少，仍然依赖于对整个空间进行制冷。热电装置（TED）的个性化温度调节可以显著减少冷却量并满足个性化的冷却需求，但由于缺少具有可持续的高冷却性能的柔性TED，目前还没有实现。研究者曾经展示了一种可穿戴的TED，它可以提供超过10 °C的冷却效果，并具有高性能系数(COP > 1.5)。由于在双弹性体之间加入刚性无机高热电优值（ZT）的热电（TE）柱，以及空气绝缘绝热层的新颖设计，该TED是第一个实现长期高柔性主动冷却的产品。此外，该TED在没有使用其他散热器的情况下，可以达到10 ℃以上的降温效果。该研究还将TED集成到了一件可穿戴的衣服中，展示了其对人体皮肤的长期、节能的降温和加热效果，研究结果表明：当环境温度在22 ℃到36 ℃之间变化，该衣物可保持人体皮肤在32 ℃的舒适温度。与传统的集中空间冷却方式相比，TED自动化的冷却能力为个性化冷却提供了巨大的节能潜力，从而在提高人体舒适度的同时大大降低能源消耗。

Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation. Sci. Adv. 5, eaaw0536 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw0536.

03正穿保暖，反穿降温-用于人体辐射加热和冷却的织物

维持人体温度是生活最基本的需求之一，而维持环境温度恒定往往需要消耗大量的能量。为了在保持人体热舒适的同时，扩大环境温度范围，个人热管理的概念最近在通过人体红外辐射控制分别在保温和降温织物中得到了证明。在同一种纺织品中实现这两种相反的功能将是一项激动人心的科学挑战和重大的技术进步。在Science和Nat. Commun. 分别发表关于降温和保温织物的文章后，展示了一种双模式织物，只需几十微米的薄薄一层，就可以在没有任何能量输入的情况下使用同一块织物执行被动辐射加热和冷却。这种双模织物由嵌入红外透明纳米多孔聚乙烯 （nanoPE）层内的双层发射器组成。实验结果表明，发射率和纳米 PE 厚度的不对称特性可以导致两种不同的传热系数，并在低发射率层朝外时实现加热，当高发射率层朝外时通过将织物由内而外穿来冷却。简单地说，就是正面穿时，可以最大限度减少人体对外的热辐射，实现体表保温；反面穿，最大限度增加人体对外辐射，可以帮助人体散热，实现正穿保暖，反穿降温。这项发明的数值拟合进一步预测了双模织物可以使得人体温度舒适区扩大14.7 ℃，从而有望显著降低大量的建筑物制冷/制热能耗。

A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling. Sci. Adv. 3, 11 (2017). https://doi.org/10.1126/sciadv.1700895.

04用于个人热管理的超薄、可水洗和大面积石墨烯纸

开发新型个人热管理材料，实现服装调温功能的双向性是帮助人体对抗极端恶劣、复杂多变的环境下的体温骤变的有效方法，但目前仍然是一个挑战。相关媒体 道了用于个人热管理 （PTM）的独立式、灵活/可折叠和可穿戴的双功能超薄石墨烯纸。研究者采用高通量的刮涂法和基于维C的热液还原制备了力学性能优异的超薄结构石墨烯纸（1~8 μm），并应用于服装上。研究结果表明，在严寒环境下，石墨烯纸优异的导电性赋予其卓越的焦耳加热特性，使其能够在3.2V的低电压下实现快速升温，提供 42 °C 的额外温暖。此外，在炎热环境下，基于石墨烯纸的高面外导热性，它能在7秒内将服装内环境的热量快速导向外环境，实现被动冷却，帮助人体体表环境降温。 石墨烯纸的冷却效果优于普通棉纤维，而且随着厚度差的增加，这种优势会更加突出。目前制备的双功能石墨烯纸具有抗弯曲循环超过 500 次和洗涤时间超过 1500 分钟的高耐久性，表明其在可穿戴 PTM 中的巨大潜力。

Ultrathin, Washable, and Large-Area Graphene Papers for Personal Thermal Management. Small 13, 1702645 (2017). https://doi.org/10.1002/smll.201702645.

05保温利器-纳米多孔金属化聚乙烯织物

空间供暖是建筑物最大的能源终端使用，给社会带来了沉重的负担。通过被动加热人体周围的直接环境，可以节省为整个建筑物空间加热而浪费的能源。相关科技期刊 道了一种具有定制红外（IR）特性的纳米光子结构织物，该织物使用纳米多孔金属化聚乙烯进行被动人体加热，指出了未来利用金属化聚乙烯制造具有优越保温性服饰的可能。研究者首先构建了一维稳态热传递模型，发现了寒冷环境中衣物红外性能和外界温度的关系，结果表明织物外表面的红外辐射率对衣物的保温性能有重要影响，而织物内表面的红外辐射率对保温性能几乎没有影响。随后，通过在具有嵌入纳米孔的IR透明层上构造IR反射层，纳米多孔金属化聚乙烯纺织品在外表面上具有最小的IR发射率（10.1%），可以有效地抑制散热损失，同时又不降低穿着舒适度。与普通纺织品相比，这可将环境温度设定值降低7.1 °C，大大优于其他辐射加热纺织品。这种大的温度设定点扩展可以以具有成本效益的方式节省超过 35% 的建筑供暖能源，最终有助于缓解全球能源和气候问题。

Warming up human body by nanoporous metallized polyethylene textile. Nat. Commun. 8, 496 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00614-4.

06纳米多孔聚乙烯织物助力辐射人体降温

通过对个体温度的升、降来进行热管理是一种扩大室内温度设定值范围以节省大量能源的策略。2016年，科学研究者于Science上 道了一种纳米聚乙烯 （nanoPE）材料，由于其孔径分布为50 到 1000 纳米，nanoPE材料对中红外人体辐射是透明的，但对可见光不透明。通过对nanoPE进一步加工，将nanoPE表面改性为亲水性，并将聚多巴胺（PDA）包覆在nanoPE上，研究者开发出一种可促进有效的辐射冷却，同时仍具有足够的透气性、吸水率和机械强度以实现耐磨性的织物。 同时，研究者开发了一种模拟皮肤温度的装置，发现与用棉布覆盖时相比，用nanoPE布和加工过的nanoPE布覆盖时的温度分别低 2.7 °C 和 2.0 °C。该结果表明加工过的纳米聚乙烯是一种用于人体热管理的有效且可扩展的织物。

Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science, 353, 1019-1023 (2016). DOI: 10.1126/science.aaf5471

07金属纳米线涂层纺织物用于个人热管理

Personal Thermal Management by Metallic Nanowire-Coated Textile. Nano lett. 15, 365–371 (2015). https://doi.org/10.1021/nl5036572.

综述小结：

用于人体热管理的新型材料研发已经走上了快车道，越来越多的高性能材料和精妙的设计为未来智能人体热管理织物、建筑物制冷/制热能耗的发展提供了强大的动力，并且将为能源节约贡献力量。当然，人体热管理材料的实际应用过程中还存在诸多问题，但是也可欣慰地看见这些问题正在被一一解决，部分优良的成果也已投入生产，未来仍可期。