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可能會讓我們和冷氣說再見的智能纖維

或許在不久的未來,我們可以不再依賴冷氣機,穿着「塑膠」衣物便能享受一個涼爽的夏天。


美國史丹福大學研究人員研究出會冷卻的智能纖維。
美國史丹福大學的科學家發現用具有多孔結構的納米聚乙烯基底纖維來製造衣物可具備降溫功能。攝:Linda Cicero/Stanford University

史上最熱的夏天即將過去,科學家們帶來一個好消息——或許在不久的未來,我們可以不再依賴冷氣機,穿著「塑膠」衣物便能享受一個涼爽的夏天。

美國史丹福大學的科學家日前在科學雜誌《自然》(Nature)上發表研究報告,發現用具有多孔結構的納米聚乙烯(nanoporous polyethylene,簡稱 nanoPE)基底纖維來製造衣物,其透氣程度不僅與傳統紡織物相當,還具備降温功能,穿着時能使人體温度降低攝氏4度。

在實驗中,研究人員在模擬皮膚發熱的裝置上覆蓋 nanoPE 材料,發現表面温度僅上升攝氏0.8度;然而在相同條件下,覆蓋棉布時,裝置的温度上升攝氏3.5度,而另一種由高密度聚乙烯纖維製成的無紡物料則使温度增加攝氏2.9度。

此外,研究人員還對比了 nanoPE 材料和普通聚乙烯材料的散熱能力。研究發現,普通的聚乙烯材料只能反射環境中20%的可見光,nanoPE 卻能反射99%的可見光,同時讓人體產生的熱輻射通過。

在夏天,人體通過兩種關鍵形式散發熱量——排汗和輻射紅外線。這款具有降温功能的新型智能纖維,具備使人體輻射的紅外線通過的特性,能夠促進人體散熱。

而棉布之類的普通紡織品,雖然可以通過紡織材料上的「網眼」達到對流散熱的效果,卻會攔截人體向外散發出的紅外線熱輻射,故而不利於人體散熱。

這份報告的首席研究作者、史丹福大學材料科學和工程專家 Yi Cui 指出,在未處於運動狀態時,人體大約50%的熱能通過輻射紅外線散發。目前在市面上,沒有任何纖維能夠使紅外線輻射完全通過。

我們希望實現的最大目標之一是,可以減少使用冷氣機,解決建築物內消耗的能量,進而減少二氧化碳排放對氣候造成的影響。我們也希望製造出讓人們在炎熱的天氣或運動的時候,能夠穿得舒適的衣服。

史丹福大學材料科學和工程專家 Yi Cui

從人體自身調節温度而非通過外部能量進行冷卻,是研究人員的終極目標。「我們會使用冷氣機是為了使身體有更舒適的感受,那麼為什麼不通過調解自身温度來實現呢?」Cui 表示。

nanoPE由聚乙烯改造而成。聚乙烯在日常生活應用中並不少見,例如用於製造保鮮紙、防止電池短路的部件等等。

然而,由於可見光可以透過聚乙烯,如果直接使用聚乙烯製成衣物,或許滿街都會出現「國王的新衣」。因此科學家製造了具有多孔結構的 nanoPE,使其保有透過紅外光的能力,又不致於變成透視裝。在 nanoPE 中,分布着直徑50納米至1000納米不等的孔隙,這些孔隙的直徑範圍覆蓋了可見光波長的範圍(400微米至700微米),因此會讓可見光發生散射,使得材料變得不透明。同時,由於人體自身產生的紅外熱輻射波長為7微米至14微米,nanoPE 便可以讓熱輻射通過。

然而要用 nanoPE 製造衣物,還需要一些加工過程。首先,需要添加化學物質聚多巴胺(polydopamine)塗層進行親水性處理,讓水分子可以輕鬆通過 nanoPE,使得汗液能夠更快蒸發。其次,需要在聚乙烯材料上「打洞」,加強這款新型纖維透氣功能。最後,為了使材料更加耐用,將在兩層納米聚乙烯之間嵌入棉網,創造出三層結構。

這項發明不僅意味着人們可以從自身出發擺脱酷暑,更重要的是,人們能在夏天節約因晝夜不停使用冷氣機而消耗的能源。麻省理工大學的納米工程師 Svetlana Boriskina 指出,調節攝氏1度至4度,已經能夠節約在建築物裏使用冷氣機所消耗能量的45%。倘若這項發明得以實現,便能極大地減少二氧化碳的排放量。

研究人員下一步需要考慮的,或許是如何節約生產「塑膠衣服」的成本,並增加材料的舒適度,從而吸引消費者青睞,也讓消費者不會認為「裹着保鮮紙」不舒適自在。據研究人員透露,未來這款新材料不僅可以用來加工衣物,還可用於製造野外帳篷、大型建築、汽車輪胎等。

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根據香港政府公告,香港建築物的耗電量約佔全港的90%,相當於超過60%的温室氣體排放量,而冷氣機裝置的耗電量約佔全港總耗電量的三分之一。

來源:華盛頓郵報The Verge洛杉磯時報NPR

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