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  在全球氣候變暖加劇、極端高溫事件日益頻發(fā)的背景下，人體熱舒適管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)空調(diào)雖能緩解高溫不適，卻伴隨著巨大的能源消耗與碳排放。過去三十年間，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳排放量已翻倍，達(dá)到約10億噸，而預(yù)計(jì)到2050年，空間制冷的能源需求將再增長(zhǎng)一倍，進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)。因此，開發(fā)可持續(xù)的熱舒適管理方案勢(shì)在必行。近年來，輻射制冷技術(shù)作為一種零能耗、高效率的被動(dòng)冷卻手段，在智能紡織品領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。該技術(shù)通過將人體熱量以中紅外波形式輻射至寒冷外太空，實(shí)現(xiàn)有效降溫。然而，現(xiàn)有基于合成材料的被動(dòng)日間輻射制冷織物雖冷卻效果優(yōu)異，卻常存在皮膚親和性差與濕氣管理能力不足的問題。棉織物因其天然吸濕透氣特性，在平衡降溫性能與穿著舒適度方面具備獨(dú)特潛力。高溫環(huán)境下，人體依賴輻射散熱與汗液蒸發(fā)維持熱平衡，但在高濕條件下汗液難以蒸發(fā)，易引發(fā)熱應(yīng)激與不適，同時(shí)潮濕環(huán)境也助長(zhǎng)細(xì)菌滋生，帶來健康隱患。傳統(tǒng)織物在濕熱環(huán)境中常因保溫性強(qiáng)和導(dǎo)濕能力不足，進(jìn)一步限制散熱與蒸發(fā)效率。因此，研發(fā)兼具高效汗液管理、強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻與抑菌功能的多功能織物，對(duì)提升高溫高濕環(huán)境下的人體舒適度與健康防護(hù)水平具有重要意義。

  研究人員通過原位合成、浸涂和噴涂工藝，制備了一種用于個(gè)人熱濕管理的Janus結(jié)構(gòu)抗菌超材料織物。該超材料織物采用St?ber法預(yù)先在棉纖維表面原位生長(zhǎng)二氧化硅（SiO₂），并以硅烷偶聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)二氧化鈦納米顆粒（TiO₂）的共價(jià)鍵合，隨后進(jìn)行不對(duì)稱潤濕性處理，構(gòu)建出具有單向?qū)窆δ?/span>Janus結(jié)構(gòu)的超材料織物。該超材料織物實(shí)現(xiàn)了91.2%的太陽光反射率與96.6%的紅外發(fā)射率，在戶外晴天和陰天下覆蓋Janus超材料織物的模型內(nèi)部溫度相較于普通棉織物的模型分別降溫12.6 °C和10.7 °C。其Janus潤濕結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單向?qū)瘢龠M(jìn)汗液從皮膚向外蒸發(fā)，蒸發(fā)速率達(dá)0.38 g·h^-1（約為純棉織物的1.8倍），在夏季劇烈運(yùn)動(dòng)過程中可將皮膚冷卻至舒適的溫度。此外，該超織物對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均超過99.5%，經(jīng)120次磨損后質(zhì)量損失低于2.3%。該研究為開發(fā)兼具熱濕調(diào)節(jié)、抗菌與舒適性的下一代智能戶外運(yùn)動(dòng)紡織品提供了新思路，具有潛在的應(yīng)用前景。

  2025年11月14日，相關(guān)研究成果以題為“Tailored Versatile Janus Fabrics as Breathable, Antibacterial, and Comfortable for Personal Thermal‐Moisture Management”為題正式發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》上，論文第一作者為浙江大學(xué)碩士研究生陳洋，通訊作者為浙江大學(xué)衢州研究院高峰副研究員與浙江大學(xué)張慶華教授。

圖1. Janus結(jié)構(gòu)超材料抗菌棉紡織品用于人體濕熱管理。

  通過精準(zhǔn)調(diào)控納米顆粒的粒徑分布，實(shí)現(xiàn)了材料光學(xué)性能的顯著提升。研究人員將二氧化鈦（TiO₂）顆粒尺寸精確控制在300~900 nm范圍內(nèi)，使其與太陽輻射峰值波段（0.3~2.5 μm）高效匹配，從而獲得高達(dá)91.2%的太陽光反射率。與此同時(shí)，體系中原位生成的二氧化硅（SiO₂）在9 μm波長(zhǎng)處激發(fā)強(qiáng)烈的聲子極化激元共振，該波段恰與地球大氣透明窗口（8~13 μm）相吻合，促使中紅外發(fā)射率提升至96.6%。此項(xiàng)研究的關(guān)鍵突破在于通過粒徑的精細(xì)設(shè)計(jì)，使TiO₂與SiO₂在光譜調(diào)控上形成功能互補(bǔ)的協(xié)同機(jī)制。

圖2. a) 超織物和棉織物的反射率和發(fā)射率。b) 纖維素、SiO₂和TiO₂鍵振動(dòng)的紅外發(fā)射示意圖。c, d) 超織物在白天和夜間的制冷功率。e) 超織物和棉織物的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。f) 超織物、棉織物、SiO₂和TiO₂的X射線衍射（XRD）光譜。g和h) 超織物的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和i) EDS圖。

圖3. a) 超織物定向水運(yùn)輸機(jī)制的示意圖，由非對(duì)稱潤濕性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。b) 定向運(yùn)輸?shù)母┮晥D。c) 定向水運(yùn)輸機(jī)制的示意說明。水接觸角在d)親水層和e)疏水層上的動(dòng)態(tài)變化。f) 水接觸角變化的量化比較。g) 超織物與棉織物的水分蒸發(fā)速率比較。h) 吸濕排汗能力的實(shí)際演示。i) 透氣性能評(píng)估。

圖4. a) 超織物輻射冷卻機(jī)制的示意圖。b, c) 冷卻性能評(píng)估的實(shí)驗(yàn)裝置，顯示 b) 電偶溫度監(jiān)測(cè)下的測(cè)試配置示意圖，以及 c) 在浙江杭州（30°18′10″ N, 120°4′54″ E）浙大紫金港校區(qū)實(shí)地測(cè)試照片。d-f) 不同環(huán)境條件下冷卻性能的溫度及溫差曲線：d) 晴天，e) 陰天，f) 夜間，插圖中顯示了相應(yīng)天氣條件的照片。

  該超織物將輻射冷卻、定向?qū)�、抗菌性能與機(jī)械耐久性集成于單一織物平臺(tái)。這種整體設(shè)計(jì)思路不僅解決冷卻需求，更兼顧了實(shí)際穿著舒適度與衛(wèi)生性能。此外，TiO₂的光催化抗菌效應(yīng)與烷基糖苷的有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合抗菌網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效率均超過99.5%。在高效降溫的同時(shí)，兼顧了長(zhǎng)效抑菌與穿戴實(shí)用性，為高性能智能紡織品開辟了新路徑。經(jīng)120次連續(xù)磨損測(cè)試后，織物質(zhì)量損失率低于2.3%，且熱性能保持高度穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐用表現(xiàn)。這種出色的耐久性主要源于的多重結(jié)合策略：通過原位生長(zhǎng)SiO₂構(gòu)建基礎(chǔ)結(jié)合層，利用硅烷偶聯(lián)劑（APTES）實(shí)現(xiàn)TiO₂與纖維的共價(jià)鍵合以阻止納米顆粒脫落，進(jìn)一步采用烷基糖苷（APG1214）作為雙功能粘結(jié)劑與親水劑。這種多重策略確保了納米顆粒的牢固附著與織物結(jié)構(gòu)完整性，有效解決了傳統(tǒng)涂層紡織品因顆粒脫落導(dǎo)致性能衰退的共性難題。

圖5. a, b) 超織物和純棉織物的抗菌示意圖及抗菌效率。c, d) 對(duì)應(yīng)的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落圖像。e, f) 不同循環(huán)后質(zhì)量變化及太陽光譜平均反射率變化。g) 超織物和棉織物的機(jī)械性能。

  該研究成功開發(fā)了一種集輻射制冷、單向?qū)窈透咝Э咕谝惑w的多功能Janus織物，為個(gè)人熱管理提供了創(chuàng)新解決方案。通過SiO₂和TiO₂納米顆粒的協(xié)同作用，織物在實(shí)現(xiàn)高太陽光反射的同時(shí)，保持了優(yōu)異的中紅外發(fā)射性能，從而在戶外晴天/多云高溫條件下均能有效降低人體熱應(yīng)激。Janus結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地解決了汗液管理難題，通過不對(duì)稱潤濕性實(shí)現(xiàn)汗液的快速單向傳輸和蒸發(fā)，一定程度上提升了穿著舒適度。該研究的重要意義在于，它并未完全拋棄傳統(tǒng)棉織物的優(yōu)勢(shì)，而是在保留其柔軟性、透氣性和皮膚親和性的基礎(chǔ)上，通過納米技術(shù)手段賦予其先進(jìn)功能。這種策略既確保了織物的實(shí)用性和可接受度，又大幅拓展了其性能邊界�？咕δ艿募芍苯踊貞�(yīng)了高溫高濕環(huán)境下細(xì)菌滋生的健康隱患，使該織物在運(yùn)動(dòng)、戶外作業(yè)和醫(yī)療防護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523292