在织物中合理化集成自清洁、能量收集和热管理功能

      随着信息电子技术的持续发展，功能多样的柔性穿戴器件受到了越来越多的关注。传统的柔性器件，如智能织物，通常需要复杂的叠层设计或精密的功能模块集成。特别是在高度集成的情况下，不但影响了穿着舒适性，而且增加了设计加工的难度，对热管理和持续能量供应都提出了更高的要求。同时，这种复杂微纳结构也为污染和细菌繁殖提供了难以被清理的空间，对器件耐久性和长期稳定性造成负面影响。因此，考虑到后续功能集成度的进一步提升，需要对现有的多功能柔性穿戴器件中的主要功能进行集成设计和综合优化，让材料和结构间相互协作，同时发挥多项作用，从而为后续的功能需求预留足够的设计空间。
      为了解决这一问题，浙江大学吕建国副研究员、杨士宽研究员和马耀光研究员等课题组合作共同提出了一种在织物中合理化集成自清洁、能量收集和热管理功能的策略，针对性地选择了疏水表面、光催化抗菌、摩擦纳米发电机和日间辐射制冷等要素进行了综合性设计。作为示范，利用连续静电纺丝法制备了一种三明治结构的多层织物 (MLF)，具体为在两层P(VDF-HFP)织物中插入一层携带SiO₂/ZnO/ZIF-8 (SZZ) 核壳纳米颗粒的P(VDF-HFP)织物。这种策略对于其他纺丝方法具有普适性，在规模化生产中表现出了极大的潜力。相关工作以“Multifunctional Smart Fabrics with Integration of Self-Cleaning, Energy Harvesting, and Thermal Management Properties”为题发表在了《ACS Nano》。       这项工作将功能集成设计分解到了纳米颗粒制备与织物制备两个阶段（图1）。在纳米颗粒制备阶段，首先在低折射率SiO₂表面均匀包覆高折射率ZnO层，再进一步将表面的ZnO转化为ZIF-8，得到SiO₂/ZnO/ZIF-8 (SZZ) 核壳纳米颗粒。在织物制备阶段，将SZZ纳米颗粒分散到P(VDF-HFP)溶液中，利用静电纺丝陆续制备出P(VDF-HFP)层 (PF)，SZZ@P(VDF-HFP)层 (SPF) 和P(VDF-HFP)层，最终得到MLF（图2）。

图3. 织物的疏水性和抗菌性能

      动态能量收集功能可帮助智能织物实现有效的能量利用，同储能装置结合后有望实现长期能量供应。作为演示，将MLF和尼龙薄膜结合制造了简单的TENG器件。由于摩擦起电和静电感应的机制，在电位差的作用下产生了摩擦电流。该期间的最大输出功率为10.97 mW·m^-2。在不同的工作频率下，M-TENG 的开路电压（VOC）可达 48.99 V，短路电流（ISC）从2.11 µA 增至3.73 µA。在连续工作 9600个循环后，器件仍然保持良好的性能稳定性。

图4. TENG的工作机理和电化学性能

织物的热管理能力

      热管理能力是智能织物最重要的功能之一，既能确保电子设备的正常运行，又能实现穿着的舒适性。在SZZ核壳纳米颗粒和MLF的分级多孔结构的协同作用下，能够实现84.7%的太阳反射率和94.9%的大气窗口（8-13 μm）红外发射率。针对SZZ纳米颗粒不可避免吸收的紫外能量，MLF能够将该能量用于价带电子激发和光催化抗菌，让抗菌性和热管理能力形成协同作用。
      与商用棉织物相比，MLF 不但能在不同气象状况下抵御热应激，而且能对热环境进行快速反应。MLF在户外的不同气候下都展现出了显著的辐射制冷能力。以室外晴天条件为例，模拟皮肤表面的MLF相比于棉布和裸露皮肤分别降低了12.0℃和2.9℃。此外，MLF 还具有良好的柔韧性，可以被方便地加工成不同的形状。这项工作还演示了MLF在服装、车衣和屋顶遮阳中的热管理应用，具有重要的应用潜力。 原文链接：inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2">https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08324