工程師們利用Comet超級(jí)計(jì)算機(jī)開發(fā)出一種塑料織物來冷卻皮膚

斯坦福大學(xué)的研究人員在加州大學(xué)圣地亞哥分校超級(jí)計(jì)算機(jī)的彗星超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，設(shè)計(jì)了一種低成本的塑料材料，這種材料可能成為服裝的基礎(chǔ)，使穿著者冷卻，從而減少對(duì)耗能空調(diào)的需求。

研究人員描述了他們?cè)诳茖W(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）雜志《科學(xué)》（Science）上的工作，他們認(rèn)為，這一新的織物家族可以成為在沒有空調(diào)的炎熱氣候下保持人們涼爽的服裝的基礎(chǔ)。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授、SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室光子科學(xué)系副教授、這項(xiàng)研究的首席研究員易翠說：“如果你能為這個(gè)人降溫，而不是讓他們工作或居住的建筑降溫，這將節(jié)省能源。”

這種新材料的工作原理是允許身體以兩種方式排出熱量，使穿著者感覺比穿棉質(zhì)衣服的人冷近4華氏度。

材料通過讓汗水通過材料蒸發(fā)冷卻，這是普通織物已經(jīng)做到的。但斯坦福材料提供了第二種革命性的冷卻機(jī)制：允許人體發(fā)射的熱量作為紅外輻射通過塑料紡織品。

所有物體，包括我們的身體，都以紅外輻射的形式散發(fā)熱量，這是一種看不見的、良性的光波長。毯子通過在靠近身體的地方捕捉紅外線的熱量來溫暖我們。這種從我們身體中逸出的熱輻射正是我們通過夜視鏡在黑暗中看到的東西。

“坐在辦公室時(shí)，我們體內(nèi)40%到60%的熱量都會(huì)以紅外輻射的形式消散。”這項(xiàng)研究的合著者、專門研究光子學(xué)的電氣工程教授范善輝說，這就是可見光和看不見光的研究?！暗侥壳盀橹?，關(guān)于紡織品熱輻射特性設(shè)計(jì)的研究很少或根本沒有?！?/p>

超級(jí)電力Kitchen Wrap

這項(xiàng)研究融合了計(jì)算機(jī)模擬、納米技術(shù)、光子學(xué)和化學(xué)技術(shù)，以提供聚乙烯-我們用作廚房包裝的透明、粘性塑料-服裝材料中需要的一些特性：它允許熱輻射、空氣和水蒸氣通過，并且對(duì)可見光不透明。

最簡單的屬性是允許紅外輻射通過材料，因?yàn)檫@是普通聚乙烯食品包裝的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)然，廚房的塑料是不透水的，也是透明的，使它與衣服一樣無用。

斯坦福大學(xué)的研究人員一次解決了這些缺陷。作為第一步，他們創(chuàng)建了捕捉納米多孔聚乙烯光學(xué)特性的計(jì)算機(jī)模型。在斯坦福大學(xué)的一個(gè)本地計(jì)算機(jī)集群上進(jìn)行了模擬，此外還有SDSC的petascale彗星超級(jí)計(jì)算機(jī)和奧斯汀德州德克薩斯大學(xué)高級(jí)計(jì)算中心的Stampede。由此產(chǎn)生的模型涵蓋了從可見光到紅外的寬光波長范圍。

“通過對(duì)各種參數(shù)的調(diào)整，我們能夠識(shí)別出一個(gè)孔徑范圍，一個(gè)納米孔，最適合紡織品的用途，一個(gè)高度不透明的明顯，同時(shí)在熱波長范圍內(nèi)高度透明，”范說。

他補(bǔ)充說：“解決電磁波在大型三維結(jié)構(gòu)中傳播的計(jì)算要求很高，只能在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行?！薄耙蝗痪鸵ㄌ鄷r(shí)間了。彗星集群中的大共享內(nèi)存對(duì)我們正在使用的代碼非常有益?！?/p>

以他們的計(jì)算機(jī)模型為指導(dǎo)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種通常用于電池制造的聚乙烯的變體，它具有一種對(duì)可見光不透明的特定納米結(jié)構(gòu)，但對(duì)紅外輻射是透明的，這可能會(huì)讓身體熱量逸出。這提供了一種對(duì)可見光不透明的基礎(chǔ)材料，目的是為了適度，但為了能源效率的目的，它是熱透明的。

然后，他們用良性化學(xué)物質(zhì)對(duì)工業(yè)聚乙烯進(jìn)行改性，使水蒸氣分子通過塑料中的納米孔蒸發(fā)，博士后學(xué)者和團(tuán)隊(duì)成員Po-ChunHsu說，允許塑料像天然纖維一樣呼吸。

更多的顏色，更多的質(zhì)地，更多的布料

這一成功給了研究人員一種單一的材料，滿足了他們對(duì)冷卻織物的三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。為了使這種薄的材料更像織物，他們創(chuàng)造了一個(gè)三層版本：兩張經(jīng)過處理的聚乙烯，用棉網(wǎng)隔開，以保證強(qiáng)度和厚度。

為了測(cè)試它們的三層結(jié)構(gòu)與可比厚度的棉織物的冷卻潛力，他們將每種材料的小樣本放置在一個(gè)像裸露皮膚一樣溫暖的表面上，并測(cè)量每種材料被捕獲的熱量。

范說：“穿任何衣服都能吸收熱量，使皮膚更溫暖?！叭绻覀冎魂P(guān)心散熱輻射，那么最好是什么都不穿。”

比較表明，棉織物使皮膚表面3.6F比冷卻織物溫暖。研究人員說，這種差異意味著一個(gè)穿著新衣服的人可能不太喜歡打開風(fēng)扇或空調(diào)。

研究人員正在幾個(gè)方面繼續(xù)他們的工作，包括在他們的材料中添加更多的顏色、紋理和布狀特征。對(duì)已經(jīng)批量生產(chǎn)的電池材料進(jìn)行改造，可以更容易地創(chuàng)造出產(chǎn)品。

斯坦福大學(xué)博士后研究助理亞歷克斯·松（Alex Song）說：“我們完全期望高性能計(jì)算機(jī)在我們下一次涉及更大規(guī)模和更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬中發(fā)揮關(guān)鍵作用，”他對(duì)這些光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁模擬。