南京大学唐少春教授和王瑜副教授团队合作利用蚕茧研制出皮肤高效降温和排汗功能的纳米纤维织物

邃瞳科学云

2023-04-30

导读：本文利用天然丝素蛋白研制出一种具有优异Mie散射和高效汗液蒸发能力、可规模化制造的纳米纤维织物，用于皮肤高效被动降温。通过调控优化纤维的直径，织物在日间和夜间分别获得了低于环境温度3.8 ℃和6.4

近日，南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授和王瑜副教授团队合作，从天然蚕茧出发，研制出一种用于皮肤高效被动降温的可规模化制造纳米纤维织物。通过对纤维直径的优化使200µm厚薄膜在紫外光范围(92%)和整个太阳光谱(95%)内均具有高反射率，丝素蛋白丰富的官能团使其在大气窗口拥有95%的高发射率。该纳米织物不仅集成了优异的被动辐射冷却和高排汗功能，而且具备天然易降解性，对人体被动热管理纺织品的研发具有重要指导意义。成果以题为“Scalable Nanofibrous Silk Fibroin Textile with Excellent Mie Scattering and High Sweat Evaporation Ability for Highly Efficient Passive Personal Thermal Management”在线发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上（Chem. Eng. J., 2023, 466, 143127）。南京大学为通讯单位，2021级直博生何佳骏为该论文的第一作者，唐少春教授、王瑜副教授为论文的共同通讯作者。

研究背景

在全球气候变暖的大背景下，人们遭遇高温天气呈现逐年递增的趋势。当长时间暴露在高温环境下，往往会引起中暑或热应激相关的疾病。以空气压缩为代表的传统制冷技术依靠消耗大量电能，且不适用户外场景。辐射制冷是一种零能耗的被动降温方式，通过调控波段0.3-2.5 μm太阳光反射率大幅减少太阳能吸收，同时在大气透明窗口8-13 μm将热量发射到外太空，从而实现低于环境温度的降温。在已报道的被动降温织物中，绝大多数是采用合成高分子材料并掺入颗粒改性，这类织物的疏水性使其缺乏对汗液有效管理，降温受限，且汗液的堆积及颗粒掺入会给皮肤带来不适感和不良反应。

文章简介

从天然蚕茧中提取的丝素蛋白是一种具有吸湿特性天然高分子，具有生物相容性好、可再生、易降解等优点。本文从蚕茧出发，设计制备出一种以纯丝素蛋白为骨架兼具被动降温和汗液管理的纳米丝素织物，具有优异Mie散射和高汗液蒸发性能。该织物对太阳光在0.3-2.5μm波段反射率高达95%，对紫外光波段（0.3-0.42μm）的反射率高达92%；通过诱导二级结构的转变，纳米丝素织物表现出优异的吸水性能，吸水量可达商用棉布的3倍，同时具有快速吸水-蒸发功能。户外试验表明，该织物在日间和夜间分别获得了低于环境温度3.8 ℃和6.4 ℃的降温；由于吸汗-蒸发过程，该纳米织物表面温度比传统疏水织物低5.5 ℃，为实现高效人体被动降温提供了一种新的思路。

本文要点

一、被动人体热管理纳米丝素织物的设计

传统的商用织物对太阳光的反射率低，缺乏有效的太阳光反射能力；在已报道的被动降温织物中，绝大多数是采用合成高分子，它们虽然可高效反射太阳光，但疏水特性限制其对汗液的管理，降温效果受限。本工作研发的纳米丝素织物能够在被动辐射降温的基础上吸收汗液，同时利用汗液快速蒸发获得额外增强的降温。

图1: (a-c) 纳米丝素织物、传统商用织物以及疏水电纺织物的热管理作用示意图。（d）纳米丝素织物与商用丝绸的反射率和发射率对比图。（e）纳米丝素织物与疏水电纺织物在湿润皮肤表面的红外热成像图片。

二、纳米丝素织物的光学性能优化

基于FDTD理论模拟计算，确定了纤维直径的最佳范围，并通过调控纺丝参数，确保织物在整个太阳光谱具备高反射率的同时尽可能提高织物在紫外光范围内的反射率。测试结果（如图2f-h所示）表明，纳米丝素织物对太阳光（0.3-2.5μm）具有95%的高反射率，其中紫外光（0.3-0.42μm）区域反射率高达92%，这一数值远高于商用丝绸织物。同时，丝素蛋白的独特分子结构使织物在大气窗口处具有高达95%的发射率。

图2: (a) 大尺寸纳米丝素织物的图片。（b）纳米丝素织物的微观形貌SEM图。（c）织物的纤维直径分布统计。（d-e）散射效率模拟计算。（f）不同直径分布的纳米丝素膜的反射率。（g）厚度对反射率和发射率的影响。（h）纳米丝素织物的反射率统计。

三、纳米丝素织物的吸汗和快蒸发特性

通过甲醇处理对纳米丝素织物产生以下几方面的影响：（1）诱导丝素蛋白从不定形向β-sheet二级结构转变；（2）力学强度和柔韧性大大增强，满足穿戴条件；（3）亲水性显著增加，且在水中能保持结构稳定，从而实现对汗液的吸收。特别是，该织物的吸水量甚至高达170%，远远超过了商用棉布和商用速干织物。此外，该织物具有快速蒸发和优异的透湿特性。因此，纳米丝素织物在人体汗液管理方面能够发挥作用。

图3: (a)甲醇处理前后纳米丝素织物的红外光谱。（b）甲醇处理前后纳米丝素织物中二级结构的含量。（c）织物的柔韧性展示。（d）纳米丝素织物随时间变化的水接触角测量。（e）室内模拟蒸发实验装置图和（f）温度曲线。（g）不同织物的吸水率，以及（h）失水率随时间变化的关系。（i）不同织物的水蒸气透过率。

四、纳米丝素织物的辐射制冷效果

团队成员基于热平衡计算模型，对纳米丝素织物的理论降温功率进行了理论分析。这种基于天然蚕茧、结构优化的纳米织物能够有效反射绝大部分太阳光从而减少能量的吸收，计算结果表明：该织物在日间能够实现70.5 W·m^-2的理论降温功率。为了测量织物的实际降温效果，研究团队采用自制装置进行了户外性能测试，如图4所示，纳米丝素织物在日间（太阳直晒下）和夜间分别获得了低于环境温度3.8 ℃和6.4 ℃的降温。

图4: (a)日间理论降温功率计算。（b）夜间理论降温功率计算。（c）户外实验实拍图和装置示意图。（d）户外降温实验实时温度数据图。

五、纳米丝素织物的被动降温效果及其应用场景

纳米丝素织物拥有优异的吸水性和汗液高效蒸发能力，因此辐射制冷和汗液蒸发相结合可实现更加高效的被动降温。团队模拟了户外汗液蒸发，结果表明：无论是在强光照还是弱光照环境下，纳米丝素织物都能够高效被动降温，且由于存在蒸发引起的散热效果，平均温差可达5.5 ℃。由于丝蛋白对人体相容性好，除了用作常规的可穿戴被动降温衣服外，也可以将其作为医用创可贴表面的降温层，从而避免伤口处的温度过高。

图5: (a)户外被动降温实验装置示意图。（b-c）强光照环境下和（d-e）微弱光照环境下温度和光强数据。（f）样品及穿在身上的衣物表面热成像变化图。（g-h）纳米丝素织物作为医用创可贴表层的降温层。

总结与展望

本文利用天然丝素蛋白研制出一种具有优异Mie散射和高效汗液蒸发能力、可规模化制造的纳米纤维织物，用于皮肤高效被动降温。通过调控优化纤维的直径，织物在日间和夜间分别获得了低于环境温度3.8 ℃和6.4 ℃的降温效果。丝素蛋白固有的吸湿特性确保了织物具有优异的吸水特性，能有效吸收汗液并实现蒸发散热。因此，该织物能够在辐射降温的基础上协同蒸发散热，从而实现更高效的人体降温热管理。本研究工作是研究团队在可穿戴热管理材料领域取得的又一个新进展，为发展绿色环保、物相容性好、可降解、安全的被动降温穿戴产品提供了一种有效解决方案。

该研究计划得到了国家重点研发计划“重点专项”、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划项目等专项资金共同资助。

【文献来源】

Scalable Nanofibrous Silk Fibroin Textile with Excellent Mie Scattering and High Sweat Evaporation Ability for Highly Efficient Passive Personal Thermal Management. Chem. Eng. J., 2023, 466, 143127.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143127

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