2024年度中國紡織工業聯合會科學技術獎近日揭曉。由南京大學能源與資源學院院長朱嘉教授作為項目第一完成人與武漢紡織大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所共同完成的“基于纖維集合體的輻射調控原理及應用”項目榮獲中國紡織工業聯合會科學技術獎自然科學獎一等獎。
在紡織建筑、能源環保和航空航天等諸多領域，纖維材料扮演著關鍵角色。其中，輻射特性作為纖維材料的重要屬性之一，直接決定了其光學和熱學性質，并顯著影響其應用性能與使用壽命。然而當前纖維的結構組分對輻射特性的影響規律并不明晰，輻射調控手段與纖維構筑方法有限，制約了纖維材料的功能化及其發展和應用。該項目從纖維材料分級結構對寬光譜（太陽光和紅外）輻射的精準調控規律研究出發，建立了基于分級結構的纖維集合體輻射調控科學機制；將先進紡織加工技術與寬光譜輻射調控的多尺度纖維分級結構微納加工技術耦合，提出并實現了寬光譜輻射精準調控纖維集合體的制備策略；圍繞強太陽光輻射環境下多場景應用需求，率先將輻射制冷纖維集合體用于冰川保護和“織物版”月面國旗，引領并推動了纖維材料的多場景應用，在Nature、Science系列期刊等發表論文100余篇。
建立了纖維材料的光譜輻射調控機制
通過剖析不同纖維材料的物理和化學結構特性，深入分析了纖維及其集合體中組織結構對輻射性質的影響規律，明確了在多層纖維集合體中的光的透射、反射和吸收行為，建立了適用于不同織物組織結構的輻射強度衰減理論模型。通過揭示纖維材料和織物內部的溫度分布規律和紅外利用效率，實現了不同織物對紅外利用率固有屬性的定量評價，從而系統地闡明了輻射對紡織纖維和織物中的溫度影響機制。發現了纖維材料分級結構與材料組成對寬波段光的吸收與反射的影響規律，提出了太陽光和紅外波段的輻射精準調控理論模型，闡明了基于分級結構的纖維輻射控溫科學機制，為寬波段選擇性輻射制冷纖維的設計提供了新思路。
設計并構筑了寬光譜輻射調控的纖維集合體
提出了面向天然纖維的光學性能強化設計與面向合成纖維的寬光譜精準設計。基于天然蠶絲纖維的光學特性與內部分層微觀結構的關聯機理，項目提出表面納米化的光譜調控增強策略，以實現整體太陽光波段高反射率及抗紫外性能，實現了太陽光下的亞環境溫度（低于環境溫度~3.5 °C）。在此基礎上，提出了一種通過分子鍵合設計和可伸縮耦合試劑輔助的浸涂加工方法，結合納米化與絲網印花這一傳統紡織加工工藝，為納米化絲綢面料的批量制備提供了可行性方案，率先實現了低于環境溫度的日間輻射制冷絲綢，從而為基于天然纖維的輻射制冷材料的開發與應用提供了新思路。基于微納米-宏觀的跨尺度設計提出了一種可規模化制備的選擇性發射輻射調控纖維集合體，通過分子鍵與微納結構的協同分級設計，實現太陽光波段的反射效率（96.3%）和紅外波段（8-13微米）的選擇性發射率（78%）。項目由此開發一種改進的卷對卷人工纖維紡絲方法，實現了寬光譜精準調控纖維集合體的全鏈條體系構建，為輻射控溫合成纖維集合體的大規模化應用提供了技術支撐。
發展了輻射控溫纖維集合體的多場景應用
發現了多場景下多組分纖維材料在強太陽光輻照下的能流調控及溫度平衡機制。從纖維材料表面結構和本體的色彩構建及其光學行為入手，基于纖維材料的寬光譜輻射精準調控策略，利用絲素微納米粒子與顏料粒子的協同作用，開發了能耐受強劑量紫外輻照以及高低溫循環的月面國旗，于2020年12月4日在月面成功展示，為中國探測器在月球打上了“中國標識”。針對全球變暖的大背景下，冰川正在以肉眼可見的速度消融。項目設計構筑了輻射制冷纖維織物，給冰川鋪上了新質“護甲”。通過減少外界能量攝入、增強表面反照率、增強自身中紅外窗口的能量發射，來實現減緩冰川消融，具有零能耗降溫，具有輕薄、疏水、不易受污染、可重復利用等優勢。項目首次將纖維基輻射制冷新材料用于四川阿壩達古冰川，開展大規模冰川保護實地實驗，有效減緩了當地冰川的消融速度，受到冰川管理局的高度認可。
“目前，該項目背景下設計的輻射制冷纖維制品在保雪保冰領域和月面國旗已得到成功驗證，下一步，我們的目標將推廣至服裝、戶外織物等領域”。朱嘉對未來充滿信心。
