國王的新衣為你帶來涼爽舒適

■安徒生童話中,自稱紡織工的騙子為國王獻上一種愚笨的人看不見的布料。國王不敢承認自己愚蠢,假裝看得見並穿著這件「國王的新衣」裸身遊街。其實,現實生活中真的存在能製作國王新衣的布料。不過這種布料並不是愚笨的人看不到,而是紅外光看不到,並且還能幫助降溫。

0051撰文|陳奕廷

衣服的主要功能是保暖及保護身體。為了適應當地氣候,各地發展出各式各樣的服裝。寒冷的國家有厚重的保暖大衣。炎熱地區有開口大、方便排熱排汗的服裝。在熱帶地區,為了增加排熱效率,甚至有不穿上衣的文化。到了空調普及的現代,保護、保暖不再是著裝的唯一考量,美觀才是服裝的重點。例如:儘管天氣再熱,我們可能還是穿上內搭衣和罩衫等各種配件以達到流行,而不是裸著上身出門。為了能有效散熱又不失流行,我們必須從衣服的材料下手,才能使用相同的設計剪裁製作出更涼爽的衣服。

相信大家都熟悉,熱量的傳播方式分為三種:傳導、對流和輻射。熱傳導將能量從材料的一端傳送到另一端;熱對流將能量丟給氣體或液體分子離開,達到降溫的效果;熱輻射則是將能量轉換成電磁波釋放。在一般情況下,身體主要透過對流和輻射散熱。空氣的流動和汗水的揮發都算是熱對流,而人體時時散發的紅外光則是熱輻射。紅外光的波長人眼看不見,必須透過特務電影中常常出現的紅外光夜視鏡才能看得到。

近年來,涼感衣百家爭鳴,多家成衣商和便利店都推出自家的涼感衣。涼感衣是透過調整纖維材質和織布法做成的,可以增加衣服排汗透氣的能力。換句話說,其原理是盡可能地提高熱對流的效率。但是,人體只有50%以下的熱量是透過熱對流釋放的。儘管成衣商費盡心思將熱對流的效率極大化,朝終極涼感衣的目標最多也只走了一半以下而已。唯有將熱輻射的效率一併最佳化,才算是走在終極涼感衣的康莊大道上。

近日,美國史丹佛大學材料系及電機系科學家製造出一種特殊的聚乙烯材料(PE),在紅外光波段下是透光的,但在可見光下卻是不透明的。一般來說,PE薄膜是不管在可見光或紅外光的波段都是透明的。若被用來做衣服,熱輻射效率雖高,但身體也被看光光了。因此,科學家在PE表面上用細針戳出許多奈米級的小孔。這些孔隙和可見光的波長相似,可以散射可見光,使PE像一般的衣服一樣不透光。如圖所示,由於紅外光的波長比孔隙大很多而不會產生交互作用,能輕易地穿透不受影響,這布料可以說是紅外光波段下的「國王的新衣」。

figure
圖片來源: 翻譯自參考資料[1]
奈米級小孔解決的問題還不只如此。菜市場中賣魚使用的塑膠袋其實也是PE,既不透風也不透水。若做成衣服,儘管紅外線都透出去了,卻沒辦法進行熱對流,想必是非常悶熱。有了奈米孔隙,若製造過程控制得當,小孔在PE中是彼此相連的。水氣及熱氣可以透過奈米小孔形成的通道從布料的內側釋放到布料的外側。使用奈米小洞,布料的熱對流和熱輻射都大大提升,向終極涼感衣走了一大步。

除了為個人帶來舒爽以外,這種布料的發明對能源及環境有深遠的影響。以美國為例,在所有能源消耗中,空調竟然高達12%。若能提高人體的散熱效率,學校和公司等場所內空調就不需要開得那麼強。研究指出,儘管空調溫度提高1到4°C,這個布料仍然可以維持人體的涼爽舒適感,同時省下7%到40%的電能。科學家正努力開發各式各樣的奈米多孔PE,使它更有棉質衣服的質感,並且能使用更多的顏色。也許,有朝一日,人人都能穿著這國王的新衣,保持涼爽又愛地球!

參考資料:
Po-Chun Hsu, Alex Y. Song, Peter B. Catrysse, Chong Liu, Yucan Peng, Jin Xie, Shanhui Fan, Yi Cui Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile Science Vol. 353, Issue 6303, pp. 1019-1023

--
作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

加入好友

3,466 人瀏覽過