纺织自然科学一等奖！让月面国旗和冰川“退烧”|光谱|冰川|材料|自然科学|辐射

2024年度中国纺织工业联合会科学技术奖近日揭晓。由南京大学能源与资源学院院长朱嘉教授作为项目第一完成人与武汉纺织大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所共同完成的“基于纤维集合体的辐射调控原理及应用”项目荣获中国纺织工业联合会科学技术奖自然科学奖一等奖。

在纺织建筑、能源环保和航空航天等诸多领域，纤维材料扮演着关键角色。其中，辐射特性作为纤维材料的重要属性之一，直接决定了其光学和热学性质，并显著影响其应用性能与使用寿命。然而当前纤维的结构组分对辐射特性的影响规律并不明晰，辐射调控手段与纤维构筑方法有限，制约了纤维材料的功能化及其发展和应用。该项目从纤维材料分级结构对宽光谱（太阳光和红外）辐射的精准调控规律研究出发，建立了基于分级结构的纤维集合体辐射调控科学机制；将先进纺织加工技术与宽光谱辐射调控的多尺度纤维分级结构微纳加工技术耦合，提出并实现了宽光谱辐射精准调控纤维集合体的制备策略；围绕强太阳光辐射环境下多场景应用需求，率先将辐射制冷纤维集合体用于冰川保护和“织物版”月面国旗，引领并推动了纤维材料的多场景应用，在Nature、Science系列期刊等发表论文100余篇。

建立了纤维材料的光谱辐射调控机制

通过剖析不同纤维材料的物理和化学结构特性，深入分析了纤维及其集合体中组织结构对辐射性质的影响规律，明确了在多层纤维集合体中的光的透射、反射和吸收行为，建立了适用于不同织物组织结构的辐射强度衰减理论模型。通过揭示纤维材料和织物内部的温度分布规律和红外利用效率，实现了不同织物对红外利用率固有属性的定量评价，从而系统地阐明了辐射对纺织纤维和织物中的温度影响机制。发现了纤维材料分级结构与材料组成对宽波段光的吸收与反射的影响规律，提出了太阳光和红外波段的辐射精准调控理论模型，阐明了基于分级结构的纤维辐射控温科学机制，为宽波段选择性辐射制冷纤维的设计提供了新思路。

设计并构筑了宽光谱辐射调控的纤维集合体

提出了面向天然纤维的光学性能强化设计与面向合成纤维的宽光谱精准设计。基于天然蚕丝纤维的光学特性与内部分层微观结构的关联机理，项目提出表面纳米化的光谱调控增强策略，以实现整体太阳光波段高反射率及抗紫外性能，实现了太阳光下的亚环境温度（低于环境温度~3.5 °C）。在此基础上，提出了一种通过分子键合设计和可伸缩耦合试剂辅助的浸涂加工方法，结合纳米化与丝网印花这一传统纺织加工工艺，为纳米化丝绸面料的批量制备提供了可行性方案，率先实现了低于环境温度的日间辐射制冷丝绸，从而为基于天然纤维的辐射制冷材料的开发与应用提供了新思路。基于微纳米-宏观的跨尺度设计提出了一种可规模化制备的选择性发射辐射调控纤维集合体，通过分子键与微纳结构的协同分级设计，实现太阳光波段的反射效率（96.3%）和红外波段（8-13微米）的选择性发射率（78%）。项目由此开发一种改进的卷对卷人工纤维纺丝方法，实现了宽光谱精准调控纤维集合体的全链条体系构建，为辐射控温合成纤维集合体的大规模化应用提供了技术支撑。

发展了辐射控温纤维集合体的多场景应用

发现了多场景下多组分纤维材料在强太阳光辐照下的能流调控及温度平衡机制。从纤维材料表面结构和本体的色彩构建及其光学行为入手，基于纤维材料的宽光谱辐射精准调控策略，利用丝素微纳米粒子与颜料粒子的协同作用，开发了能耐受强剂量紫外辐照以及高低温循环的月面国旗，于2020年12月4日在月面成功展示，为中国探测器在月球打上了“中国标识”。针对全球变暖的大背景下，冰川正在以肉眼可见的速度消融。项目设计构筑了辐射制冷纤维织物，给冰川铺上了新质“护甲”。通过减少外界能量摄入、增强表面反照率、增强自身中红外窗口的能量发射，来实现减缓冰川消融，具有零能耗降温，具有轻薄、疏水、不易受污染、可重复利用等优势。项目首次将纤维基辐射制冷新材料用于四川阿坝达古冰川，开展大规模冰川保护实地实验，有效减缓了当地冰川的消融速度，受到冰川管理局的高度认可。