被動輻射制冷材料可自發(fā)反射太陽光以減少能量吸收，并通過大氣窗口將熱量傳遞到外太空，在改善熱舒適性方面具有巨大潛力。然而，目前報道的輻射制冷材料主要集中在疏水性聚合物膜材料，不利于汗液從皮膚轉(zhuǎn)移到外界，不可避免地抑制了濕熱環(huán)境中的降溫效果，尤其是在氣候多變的復雜環(huán)境或動態(tài)濕熱的環(huán)境下會導致汗液積聚。聚乳酸（PLA）是一種具有生物相容性的可降解聚合物，已被探索用于日間被動輻射制冷，但其固有紅外發(fā)射率太低，在不同的環(huán)境中實現(xiàn)持續(xù)高效被動制冷仍然是一項挑戰(zhàn)。

近期，南京大學和華中科技大學的研究團隊利用亞硫酸鈣（CaSO3）的高紅外發(fā)射率，利用CaSO3納米顆粒對PLA纖維膜單面修飾，不僅提高了其單面太陽反射率和紅外發(fā)射率，而且改善了單面潤濕性，使不對稱潤濕性Janus膜具有定向傳輸汗液的能力，實現(xiàn)了無機納米增強輻射制冷與汗液定向蒸發(fā)制冷有效結(jié)合，在干燥、濕潤的狀態(tài)下均表現(xiàn)出卓越的制冷效果。

Janus纖維膜的結(jié)構(gòu)設計中，PLA-JFM的親水層朝外，疏水層與皮膚接觸，這種親水-疏水形成的梯度結(jié)構(gòu)有助于汗液從皮膚快速轉(zhuǎn)移到外表面層，從而加速汗液的蒸發(fā)散熱。此外，PLA-JFM膜中納米纖維形成的三維多孔結(jié)構(gòu)和納米顆粒提高了太陽光的反射率，減少了太陽光能量的吸收；同時，CaSO3的高紅外發(fā)射率可將熱量輻射到寒冷的外太空。

CaSO3顆粒在PLA纖維上的原位生長，使薄膜表面從超疏水性變?yōu)槌�親水性，PLA-JFM在20s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率高達708%，而棉布大約10s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率約285%。

純PLA薄膜的太陽反射率為91.3%，原位生長CaSO3顆粒后，共振散射的增強使CaSO3/PLA的太陽反射率達到了96.6%。而且，CaSO3/PLA在8~13μm范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率達到96.1%，遠高于純PLA（僅83.3%）。

在干燥狀態(tài)下，隨機交錯超細長納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)導致可見光的強烈散射。相比之下，當折射率匹配的液體將纖維膜表面潤濕之后，空氣-聚合物界面處的散射會顯著減少。因此，穿過PLA-JFM的親水性表面層的太陽光在下面的疏水層中重新散射。PLA-JFM雙層結(jié)構(gòu)在吸水后的濕態(tài)制冷優(yōu)勢明顯，即使在潮濕的條件下也能保持高太陽光反射率和低透射率。

       具有Janus潤濕性的PLA-JFM實現(xiàn)了定向水傳輸：當水滴接觸到疏水性PLA層，會逐漸滲透到下層并繼續(xù)擴散直至完全轉(zhuǎn)移；而當水接觸到親水性CaSO3/PLA層時只擴散穿過親水層，不會穿透下層。因此，在實際應用中，疏水層作為和皮膚接觸的底層，可吸收過多的汗液并促進其快速蒸發(fā)。此外，PLA-JFM的水分蒸發(fā)量顯著超過了傳統(tǒng)棉布，在實際應用中能夠使皮膚迅速干燥。

      PLA-JFM在干燥和潮濕條件下始終顯示出有效的降溫效果。在晴朗和多云天氣下，其均實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的日間輻射冷卻，對不同的天氣條件具有強適應性。在干燥和濕潤狀態(tài)下，PLA-JFM的溫度與傳統(tǒng)棉布相比分別降低了7.5和2.1°C，表現(xiàn)出優(yōu)異的被動制冷效果。

      在戶外環(huán)境中，PLA-JFM會向外部輻射更多的能量，并且潮濕的PLA-JFM在水分轉(zhuǎn)移后可快速干燥，保持了皮膚的舒適性。PLA-JFM具有良好的透濕性，是傳統(tǒng)棉布的1.33倍；其在320~400nm的紫外線反射率是棉布的2倍多，能更有效阻擋紫外線輻射。

       該工作研制的Janus雙面膜材料在人體溫度-濕度有效管理方面極具應用潛力，相關(guān)成果以“Advanced Janus Membrane with Directional Sweat Transport and Integrated Passive Cooling for Personal Thermal and Moisture Management”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。

來源：Advanced Fiber Materials