美国斯坦福大学崔屹教授团队攻克新型纳米织物染色难题

随着科技的发展，人们对于衣物的需求也在日新月异：不但要美观、舒适，还要具备功能性。近年来，科学家们对于“保温、降温”衣物的研发取得了很大进展，通过衣物实现热管理，提升人体舒适度，同时节约建筑物能耗。斯坦福大学崔屹教授团队一直致力于该领域的研究，已经在基于聚乙烯材料在红外透明室内降温衣物、低红外发射率保温衣物、室外降温衣物、双模式降温/保温等方面取得了一系列成果。

最近，崔屹教授团队又获得了一项新的科研突破：在保留聚乙烯材料独特红外透明性能的同时，成功在红外透明纳米衣物上实现了不同的颜色外观，并解决了染色的均匀性和稳定性的问题。这项研究于3月21日以"Temperature Regulation in Colored Infrared-Transparent Polyethylene Textiles" 为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊 Joule（《焦耳》）上。

新型红外纳米衣物的染色一直面临着一大难题：传统的有机染料通常会有不同种类的化学键，这些化学键会强烈吸收中红外波段的人体辐射，从而大大降低红外透过率。同时，聚乙烯的化学惰性和缺少极性化学键的特点，也使得化学染料在其表面的粘附变得十分困难。

崔屹教授团队使用无机纳米颗粒作为聚乙烯材料的染料，成功实现了对聚乙烯的染色，同时又保留了其独特的红外透明性能。通过无机纳米颗粒和熔融的聚乙烯混合，也解决了染色的均匀性和稳定性问题。而该研究的另一个亮点即成功实现了不同颜色的红外纳米衣物染色，染色之后呈现的颜色与传统织物的色彩一样美观。作为染料的普鲁士蓝、三氧化二铁、硅的纳米颗粒同时满足了无红外吸收、无毒和低成本的要求。这三种染料分别可以产生蓝、红、黄这三种颜料三原色，通过混合，其他的颜色也能很容易获得。

图1   (a) 辐射降温织物的染色示意图 (b) 选用的无机染料粉末的照片 (c) 选用的无机染料颗粒和传统有机染料的FTIR吸收光谱比较。 (d) 普鲁士蓝, (e) Fe2O3 及 (f) 硅纳米颗粒的SEM照片

在该篇论文中，崔屹教授团队还介绍了染色聚乙烯的工业级拉丝及纺织。通过大规模混料、挤出、纺织出的织物产品不仅有80%的红外透过率，与普通棉织物相比还有1.6°C~1.8°C的降温效率，在多次洗涤后仍可保持良好的稳定性。这项工作解决了辐射降温衣物染色的瓶颈问题，并为辐射降温织物的实际应用及商业化打下了坚实的基础。

图2   (a) 通过工业挤出工艺制造的染色聚乙烯纤维的照片 (b) 拉伸强度测试证明了染色的聚乙烯纤维和棉有相当的拉伸强度。 (c)蓝色普鲁士蓝-聚乙烯, (d) 红色Fe2O3-聚乙烯 和 (e) 黄色硅-聚乙烯的光学显微镜照片 (f – h) 通过光学显微镜展示的编织图案 (i – k) 有着良好可穿戴性的编织织物照片

关于崔屹教授

崔屹教授现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授，美国湾区光伏联盟共同主任和电池500联盟共同主任。他1998年本科毕业于中国科技大学应用化学系；1998-2002年就读于哈佛大学化学系并获得博士学位；2003-2005年在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；2005年加盟斯坦福大学。2004年崔屹教授获得世界顶尖青年发明家奖，2014年被路透社评为世界排名第一的材料学家，2015年入选英国皇家化学会会士，2016年入选美国材料学会会士，2017年被授予美国Blavatnik国家奖，2018年入选电化学学会会士。崔屹教授目前在美国的专利申请超过50项，他的三项技术（2016新型冷却布料、2014新型热电池、2010纳米电击杀菌）曾分别三次被《科学美国》评为“十大改变世界的技术”。目前，崔屹教授带领着一个大约50人的博士、博士后研究团队，从事纳米、新材料、新能源及环境保护和生物科学的研究。

论文网址：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30085-6