陈永胜教授团队仅用太阳光驱动的全天候自持续人体热管理衣物

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12月15日，国际顶级期刊Science在线发表南开大学最新研究成果。该研究题为“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight（仅用太阳光驱动的全天候自持续人体热管理衣物）”。这是南开大学不到一个月内发表的第二篇Science论文，也是化学学院陈永胜教授团队在南开大学发表的第三篇Science论文。
        体温相对恒定是维持人体正常生命、活动的重要条件之一。服装在调节人体体温、保持人体热舒适度方面发挥着重要作用。

        在昼夜温差极大或生存环境恶劣的地区，如何安全、便捷、高效地利用衣物让体温保持在舒适的温度区间，是否能够开发一种如宇航服般使人体保持在舒适温度范围内的日常可穿戴体温调节服装，是人们不断追求但又极具挑战性的目标。
        南开大学化学学院陈永胜教授、材料科学与工程学院马儒军教授、化学学院刘永胜教授科研团队在该领域实现突破性进展。
        团队设计、制备了一种柔性且可持续的个人体温调节衣物系统。该系统能够根据各种极端复杂的环境温度变化快速响应，通过柔性太阳能器件，将太阳光的能量用于驱动高效的电卡热管理器件，使人体热舒适区从22-28°C扩展到12.5-37.6°C，同时能耗低、效率高，只需12小时的太阳光能量输入，便可实现 24 小时可控和双模式体温调节，具有很强的自适应能力。
         近年来，虽然人们已开发出许多体温调节系统，但是由于能耗较高、效率较低等问题，在没有额外能量输入的情况下，无法长时间运转，其有限的能量供应，不能支撑全天候和自持续的热管理调节。
       “如果可以实现在太阳下制冷，在黑夜里保暖，并且可以利用无限和无处不在的太阳能来实现上述全天候和自持续的人体热管理，我们人类的生存空间将获得极大的扩展。”陈永胜说。
         基于团队前期在柔性太阳能、电卡以及热管理等方面取得的已有进展（Science 2018, 361, 1094-1098；Science 2017, 357, 1130-1134），他们设计制备了柔性太阳能电池模块和柔性电卡热管理模块，并将两者有机地集成起来，制成了一种新型的柔性可穿戴的主动性太阳能热管理系统，从而实现了双向主动的人体热管理，使人体在太阳光（高温）下实现降温，在黑暗（低温）中实现保暖，人体可以生活的环境温度区间获得了三倍以上的提升。
         同时，这种新型太阳能热管理系统还可以充分发挥有机太阳能电池和电卡热管理器件的柔性特征，将其集成使用于适宜人类穿着的衣物上，既智能又不会影响皮肤的穿着体验。
         这种柔性热管理衣物可将人体热舒适区从6K（22-28℃）扩展到25.1K（12.5-37.6℃），实现300%以上的提升，且结构简单、设计紧凑、效率高，仅以太阳光作为唯一能源，适应性极强。
         基于前期在有机太阳能和电卡等方面研究的积累，团队开发了高效且具有主动性的双向人体柔性热管理系统。这一管理系统在体温调节领域展现出了潜在的应用前景，但也仍有许多重要科学和技术问题有待解决，比如如何进一步提升能源效率、集成更大规模的服装，需要研发新的更高效率的太阳能材料器件与电卡材料器件，集成的器件结构尚需优化等。
         陈永胜表示：“我们将继续努力，通过研究，进一步优化提升其性能，为绿色能源的更好利用以及提高人类在极地、太空等极端恶劣环境中的生存能力作出更多的贡献。”
         化学学院2021级博士研究生王子源和材料科学与工程学院2021级博士研究生薄轶文为共同第一作者。陈永胜为第一通讯作者，马儒军、刘永胜为共同通讯作者，南开大学化学学院为第一单位。
         该研究还得到了科技部、国家自然科学基金委、天津市科学技术局和南开大学有关项目支持。
         文章来源：南开大学
          陈永胜，教授，博士生导师，南开大学纳米科学与技术研究中心主任。1984年本科毕业于郑州大学化学系，导师吴养洁院士。1987年在南开大学获得硕士学位，导师王序昆教授。1987-1992年，在北京科技大学化学学院任讲师。1993-1997年，在加拿大维多利亚大学攻读博士学位，导师Reg Mitchel 教授。1997-1999年，在美国加州大学洛杉矶分校和肯塔基大学从事博士后研究工作，导师Robert Haddon和Fred Wudl教授。1999-2004年，在美国加州州立圣地亚哥分校任研究员。2004年至今，为南开大学特聘教授，天津市特聘教授。