東華大學ACS Nano：仿北極熊毛發納米纖維氣凝膠，一招實現多模式熱調節，厚度僅為羽絨三分之一！

在嚴寒環境中維持人體37℃左右的恒溫至關重要，然而傳統纖維材料（如棉、羽絨）因纖維直徑粗、孔隙率低、易吸濕等局限，導致保暖制品笨重且隔熱性能有限。氣凝膠雖具備極低密度和高孔隙率，但其脆性和差力學性能嚴重阻礙了實際應用。如何在超輕、高孔隙率的同時賦予材料機械魯棒性，成為下一代熱調節紡織品研發的核心挑戰。

受北極熊毛發多級結構啟發，東華大學丁彬教授團隊劉一濤教授、王賽博士合作通過基于快-慢相分離的同軸靜電紡絲技術，一步法設計出具有多孔芯/致密殼結構的仿生納米纖維，并使其自組裝為氣凝膠（CSNA）。該材料密度僅5.5 mg/cm3，熱導率低至26.45 mW/(m·K)，可承受自身重量20000倍載荷而不破裂；僅羽絨三分之一厚度即可實現同等保暖效果。摻雜碳黑后，CSNA還具備高效焦耳熱和光熱轉換能力，實現被動與主動按需加熱模式切換。相關論文以“One-Step Synthesis of Polar-Bear-Hair-Inspired Nanofibers for Multimodal Thermal Regulation”為題，發表在ACS Nano上。

掃描電鏡與透射電鏡表征顯示，CSNA內部呈現出均勻的層狀波紋結構，大量卷曲納米纖維隨機纏結并相互連接，形成連續三維纖維網絡。纖維之間的結合點源于高濕環境下殼層溶劑延遲蒸發，殘留溶劑充當“粘合劑”。單根納米纖維具有清晰的多孔芯/致密殼結構——芯層為約20–50 nm的連通納米孔，殼層致密。與北極熊毛發中約15–20 μm的連續大空腔相比，該仿生纖維直徑僅約600 nm，實現了該結構基元的納米化重構。

圖1. CSNA的設計與制備。 (a) 北極熊毛發的微觀結構。(b) 通過濕度誘導同軸靜電紡絲制備CSNA的路線示意圖。(c-e) CSNA的SEM圖像：(c) 橫截面視圖，(d) 纏結纖維網絡，(e) 纖維結合點。(f) 單根納米纖維的TEM圖像，揭示多孔芯/致密殼結構，插圖為對應的SEM橫截面。(g) 照片展示CSNA的超輕特性。(h) 可壓縮性和承載能力演示。(i) CSNA與羽絨的光學和紅外成像隔熱性能比較。(j) 大尺寸CSNA照片及通過該同軸靜電紡絲策略制備的多種纖維氣凝膠示例。

為了直接合成這種多孔芯/致密殼結構，團隊系統調控了同軸射流的環境相對濕度。在30% RH下，纖維呈珠串狀且內部致密；60% RH時珠串消失，纖維開始出現孔隙；90% RH下獲得均勻纖維（平均直徑614 nm）和發育良好的多孔結構。機理研究表明：疏水性PSU芯層在高濕下快速相分離形成多孔，而富含極性基團的PU殼層因與水分子親和力高、相分離較慢，形成致密外殼。氮氣吸附測試證實，90% RH下樣品的比表面積達30.2 m2/g，孔體積0.11 cm3/g，孔隙率高達99.57%，而30% RH樣品僅1.4 m2/g和0.003 cm3/g。紅外熱成像顯示，90% RH樣品在50℃熱臺上表面與熱臺溫差達12.78℃，遠高于30% RH（3.24℃）和60% RH（8.7℃）。

圖2. 多孔芯/致密殼結構的形成與表征。 (a-c) 分別在30%、60%和90% RH下制備的納米纖維SEM圖像；插圖為單根纖維橫截面視圖。(d) 多孔芯/致密殼結構的形成機理。(e) PSU/DMAc/H?O和PU/DMAc/H?O體系的三元相圖。(f) 不同RH條件下制備的纖維的氮氣吸附-脫附等溫線；插圖為放大視圖。(g, h) 不同RH條件下制備的樣品的孔徑分布、BET比表面積和孔體積。

力學測試表明，通過優化殼/芯供液速率比（4/2），CSNA的最大拉伸應力達246.24 kPa，拉伸應變104.6%，優于多數已報道氣凝膠材料。在80%壓縮應變下應力達4.28 kPa，且可完全回彈；經60%應變下1000次循環壓縮后仍保持85%以上初始應力，高度抗疲勞。動態力學分析顯示在0.01–1 Hz范圍內儲能模量、損耗模量和阻尼比變化極小。原位SEM觀察揭示了彈性機制：拉伸時卷曲纖維網絡先被拉直，應力隨后傳遞至纖維間結合點并通過多路徑耗散，最終由致密PU殼層通過形變和頸縮承擔主要載荷，同時保護芯層多孔結構；壓縮時橋接纖維像“機械彈簧”一樣發生彎曲，層間間距減小，卸載后完全恢復。

圖3. CSNA的力學性能。 (a-c) 不同供液速率比下纖維組裝的SEM圖像。(d) 不同供液速率比下纖維組裝的拉伸應力-應變曲線。(e) 與其他已報道氣凝膠材料的最大拉伸應力和應變比較。(f) 不同應變下的壓縮σ-ε曲線。(g) 1000次壓縮后的抗疲勞性能評估。(h) 動態力學性能：儲能模量、損耗模量和阻尼比隨頻率的變化。(i) 拉伸和壓縮恢復過程中的原位SEM觀察。(j) 力學性能增強機理示意圖。

CSNA的水接觸角隨殼/芯供液比增大從121°升至143°（4/2時為142°），對果汁、牛奶、咖啡、可樂等日常液體均表現出抗潤濕性，并具有自清潔和防污功能。同時，高孔隙率結構賦予良好的透濕性，實現防水與透氣雙重性能。熱傳導理論分析表明：CSNA孔徑（約0.6 μm）遠低于自然對流起始特征尺寸（~1 mm），氣體對流可忽略；小孔徑誘導克努森效應抑制氣體傳導；極低體積密度（5.5 mg/cm3）和99.57%孔隙率降低固相傳導；三維卷曲纖維網絡和多孔芯/致密殼結構中大量固-氣界面通過多級散射衰減紅外輻射。實測熱導率為26.45 mW/(m·K)，遠低于棉（46.19）、PET（42.22）和已報道北極熊毛發（69±15），接近靜態空氣（26）。在50℃平臺上，CSNA表面溫度36.2℃，顯著低于棉（39.9℃）和PET（38.1℃）；在0℃和-16℃條件下，CSNA表面分別達27.5℃和20.2℃，遠高于棉和PET。以10 mm厚CSNA制成的保暖背心，在三分之一厚度下提供與羽絨背心相當的隔熱性能；標準洗滌后羽絨背心厚度收縮37%，CSNA僅收縮25%，且保暖性能仍優于羽絨。

圖4. CSNA的多功能性與隔熱性能。 (a) 纖維組裝體的水接觸角。(b) 自清潔行為。(c, d) 透氣性與透濕性。(e) CSNA的隔熱機理示意圖。(f) 與棉和PET的熱導率比較。(g) 不同溫度下的紅外圖像。(h, i) CSNA和羽絨背心洗滌前后的紅外圖像及厚度（插圖）。

為實現寒冷動態環境中的多模式熱調節，團隊在殼層和芯層溶液中均加入3 wt%碳黑納米粒子。光學和SEM圖像證實碳黑均勻分布在聚合物基體中，多孔芯/殼形貌保持完整。在6 V電壓下，摻雜碳黑的CSNA表現出強勁電加熱響應，表面溫度從22.5℃升至34.2℃，升溫近12℃，加熱速率0.55℃/s；通過調節3 V、4.5 V、6 V電壓可精確控溫，且18次加熱-冷卻循環后溫度穩定在34℃左右。相比之下，棉、PET和未摻雜CSNA在6 V下最高溫度僅27.5℃、28.3℃和29.4℃。在太陽光譜可見光區，摻雜碳黑的CSNA吸收率達95%。模擬太陽光照下，其表面5分鐘內快速升至60.5℃，遠超棉（38.7℃）、PET（40.5℃）和未摻雜CSNA（31.3℃）；戶外自然光實驗（9:30–16:30）中，摻雜碳黑CSNA最高達87.6℃，比棉、PET和未摻雜樣品分別高出23.2℃、21.9℃和25.2℃。室內外綜合測試表明：被動隔熱與輻射加熱協同作用下，CSNA覆蓋的皮膚10分鐘內達36.8℃，比裸皮高1.7℃，且溫度呈持續上升趨勢而非平臺期——這歸因于多孔結構作為高效“熱障”顯著減少熱量散失，體表輻射熱被大量保留在氣凝膠下微氣候中，形成累積升溫。該多孔芯/致密殼纖維架構同時承載焦耳熱導電網絡、光吸收組分和隔熱本體材料，使三種加熱模式相互增強，實現動態智能熱管理。

圖5. CSNA的多模式熱調節。 (a) 摻雜碳黑的CSNA照片及SEM圖像。(b) 6 V電壓下焦耳加熱過程中紅外相機監測的對應表面溫度分布。(c) 3、4.5和6 V電壓下的溫度-時間曲線。(d) 不同纖維材料的焦耳加熱性能比較。(e) 不同纖維材料的太陽吸收光譜。(f) PET、棉、未摻雜CSNA和摻雜碳黑CSNA在模擬太陽光下的熱成像圖。(g) 棉、PET、未摻雜CSNA和摻雜碳黑CSNA在模擬太陽光下的溫度曲線。(h) 不同纖維材料在自然陽光下的實時溫度監測。

綜上所述，該研究首次通過基于快-慢相分離的濕度誘導同軸靜電紡絲，直接開發出仿北極熊毛發的多孔芯/致密殼納米纖維，用于多模式熱調節。所制備的CSNA集超輕、機械魯棒、高效隔熱于一體，并具備疏水、透濕、透氣、耐洗滌等實用性能；摻雜碳黑后更可實現焦耳熱與光熱轉換，在寒冷條件下按需切換加熱模式。該工作為制備高強度氣凝膠纖維提供了通用藍圖，開啟了極端環境下智能熱調節的新可能。