近年来，全球极端天气事件频发，人体健康正面临愈发严峻的挑战。持续的高温环境容易引发中暑、高热惊厥及皮肤损伤等问题，而严寒环境则会激发人体代谢系统的应激反应。当前，建筑室内温度调节主要依赖高能耗的空调系统，不仅造成能源紧张，也加重了环境负担。与此同时，室外空间作为人类日常活动与工业作业的重要场所，受制于现有热管理技术能耗高、效率低且便携性差等问题，长期面临温度调控的技术瓶颈。在此背景下，具有双向热调节功能的被动式智能纺织品展现出良好的应用前景，有望为破解这一难题提供创新性的解决思路。
本研究开发出兼具高效光学性能与自清洁能力的双功能Janus薄膜（简称TOC）材料。相关工作以“A Self-Cleaning Janus Textile for Highly Efficient Heating and Cooling Management”为题，发表在期刊《Nano letters》上。
图1：具有优异光学特性和自清洁能力的双模材料示意图
TOC材料具有双功能特性，其加热面通过嵌入铜纳米颗粒实现了95.5%的太阳光吸收率和89.1%的中红外反射率；冷却面则基于多孔P（VdF-HFP）HP材料，实现了96.4%的太阳光反射率和95.3%的中红外发射率。
图2.材料的制备流程及光学性能
为全面评估TOC材料的双向热调控能力，研究团队分别在室内和室外环境下开展了系统性实验。在室内实验中，研究团队在恒温恒湿环境（22 ℃、50%湿度）下，利用太阳模拟器提供稳定的辐射源（500 W/m?，AM1.5G光谱）。如图3c所示，TOC材料在制冷模式下的表面温度比白色棉织物低10 ℃，比模拟皮肤低20 ℃；而在制热模式下，其表面温度较黑色棉织物提升18.4 ℃，较模拟皮肤提升20.4 ℃。在室外实验中，研究团队选取南京典型气象条件，采用模拟人体热特征的硅胶表皮进行连续5小时的户外测试。晴好天气条件下（图3e），TOC材料在制冷模式下较白色棉基底降温10.6 ℃，实现了4.5 ℃的亚环境冷却效果；在制热模式下，其表面温度较黑色棉织物升温16 ℃，相对环境温度提升了41.1 ℃。即使在多云环境下（图3h），TOC材料仍展现出优异的热调控性能。
图3. Janus薄膜室内和室外测试性能
为验证TOC材料在户外装备中的实际应用价值，研究团队设计并搭建了一顶帐篷模型，并对其进行了连续2小时的露天性能测试。在晴好天气条件下（图4d，f），当TOC材料的加热面朝外时，帐篷内部温度相较于黑色棉帐篷提升了12.2 ℃，实现了19.56 ℃的升温效果；而将TOC材料的冷却面朝外时，帐篷内部温度相较于白色棉帐篷降低了7.91 ℃，实现了6.55 ℃的亚环境冷却效果。即使在低辐照多云条件下（图4e，f），TOC材料依然表现出显著的优势。
图4.帐篷应用室外测试
面对雨水渗透、油污附着等复杂环境的挑战，TOC材料表现出卓越的全方位防护性能。接触角测试结果表明，其加热面与冷却面对水、牛奶、果汁等多种液体均展现出良好的疏水性，接触角最高可达127.27°（图5a）。在墨水防渗实验中（图5b，c），液滴在冷却面和加热面上均能保持稳定的疏水特性。抗油污测试结果显示（图5d），食用油在倾斜表面上能够迅速滑落且无残留。此外，污泥污染实验（图5e）进一步验证了该材料的自清洁能力，仅需简单冲洗即可恢复表面洁净状态。
图5. Janus薄膜自清洁性能测试
这项研究通过材料结构设计与纳米光子学优化，成功开发出一种具备自清洁功能的双面Janus智能纺织品。该材料的加热面实现了95.5%的太阳光吸收率和89.1%的中红外反射率，而冷却面则分别达到了96.4%的太阳光反射率和95.3%的中红外发射率。经过30次洗涤测试，其性能未出现任何衰减。户外实验结果表明，在加热模式下，该纺织品可使周围温度较环境温度提升41.1℃；在冷却模式下，可降低温度4.5℃，相较于传统棉纺织品，其温控范围扩大了26.6℃。此外，该材料集防水、防油、防污三重防护功能于一体，为户外装备的设计提供了创新性的解决方案。
来源：高分子科学前沿
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