在嚴(yán)寒環(huán)境中維持人體37℃左右的恒溫至關(guān)重要，然而傳統(tǒng)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(dǎo)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(xué)性能嚴(yán)重阻礙了實際應(yīng)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(diào)節(jié)紡織品研發(fā)的核心挑戰(zhàn)。

受北極熊毛發(fā)多級結(jié)構(gòu)啟發(fā)，東華大學(xué)丁彬教授團(tuán)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(shù)，一步法設(shè)計出具有多孔芯/致密殼結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xiàn)同等保暖效果。摻雜碳黑后，CSNA還具備高效焦耳熱和光熱轉(zhuǎn)換能力，實現(xiàn)被動與主動按需加熱模式切換。相關(guān)論文以“One-Step Synthesis of Polar-Bear-Hair-Inspired Nanofibers for Multimodal Thermal Regulation”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

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

圖1. CSNA的設(shè)計與制備。 (a) 北極熊毛發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)。(b) 通過濕度誘導(dǎo)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(jié)纖維網(wǎng)絡(luò)，(e) 纖維結(jié)合點。(f) 單根納米纖維的TEM圖像，揭示多孔芯/致密殼結(jié)構(gòu)，插圖為對應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)，團(tuán)隊系統(tǒng)調(diào)控了同軸射流的環(huán)境相對濕度。在30% RH下，纖維呈珠串狀且內(nèi)部致密；60% RH時珠串消失，纖維開始出現(xiàn)孔隙；90% RH下獲得均勻纖維（平均直徑614 nm）和發(fā)育良好的多孔結(jié)構(gòu)。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(tuán)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(dá)30.2 m2/g，孔體積0.11 cm3/g，孔隙率高達(dá)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(dá)12.78℃，遠(yuǎn)高于30% RH（3.24℃）和60% RH（8.7℃）。

圖2. 多孔芯/致密殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)測試表明，通過優(yōu)化殼/芯供液速率比（4/2），CSNA的最大拉伸應(yīng)力達(dá)246.24 kPa，拉伸應(yīng)變104.6%，優(yōu)于多數(shù)已報道氣凝膠材料。在80%壓縮應(yīng)變下應(yīng)力達(dá)4.28 kPa，且可完全回彈；經(jīng)60%應(yīng)變下1000次循環(huán)壓縮后仍保持85%以上初始應(yīng)力，高度抗疲勞。動態(tài)力學(xué)分析顯示在0.01–1 Hz范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò)先被拉直，應(yīng)力隨后傳遞至纖維間結(jié)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(dān)主要載荷，同時保護(hù)芯層多孔結(jié)構(gòu)；壓縮時橋接纖維像“機械彈簧”一樣發(fā)生彎曲，層間間距減小，卸載后完全恢復(fù)。

圖3. CSNA的力學(xué)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(yīng)力-應(yīng)變曲線。(e) 與其他已報道氣凝膠材料的最大拉伸應(yīng)力和應(yīng)變比較。(f) 不同應(yīng)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(tài)力學(xué)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(fù)過程中的原位SEM觀察。(j) 力學(xué)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(xiàn)出抗?jié)櫇裥?，并具有自清潔和防污功能。同時，高孔隙率結(jié)構(gòu)賦予良好的透濕性，實現(xiàn)防水與透氣雙重性能。熱傳導(dǎo)理論分析表明：CSNA孔徑（約0.6 μm）遠(yuǎn)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(dǎo)克努森效應(yīng)抑制氣體傳導(dǎo)；極低體積密度（5.5 mg/cm3）和99.57%孔隙率降低固相傳導(dǎo)；三維卷曲纖維網(wǎng)絡(luò)和多孔芯/致密殼結(jié)構(gòu)中大量固-氣界面通過多級散射衰減紅外輻射。實測熱導(dǎo)率為26.45 mW/(m·K)，遠(yuǎn)低于棉（46.19）、PET（42.22）和已報道北極熊毛發(fā)（69±15），接近靜態(tài)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(dá)27.5℃和20.2℃，遠(yuǎn)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(dāng)?shù)母魺嵝阅埽粯?biāo)準(zhǔn)洗滌后羽絨背心厚度收縮37%，CSNA僅收縮25%，且保暖性能仍優(yōu)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(dǎo)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(xiàn)寒冷動態(tài)環(huán)境中的多模式熱調(diào)節(jié)，團(tuán)隊在殼層和芯層溶液中均加入3 wt%碳黑納米粒子。光學(xué)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(xiàn)出強勁電加熱響應(yīng)，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(diào)節(jié)3 V、4.5 V、6 V電壓可精確控溫，且18次加熱-冷卻循環(huán)后溫度穩(wěn)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(qū)，摻雜碳黑的CSNA吸收率達(dá)95%。模擬太陽光照下，其表面5分鐘內(nèi)快速升至60.5℃，遠(yuǎn)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(dá)87.6℃，比棉、PET和未摻雜樣品分別高出23.2℃、21.9℃和25.2℃。室內(nèi)外綜合測試表明：被動隔熱與輻射加熱協(xié)同作用下，CSNA覆蓋的皮膚10分鐘內(nèi)達(dá)36.8℃，比裸皮高1.7℃，且溫度呈持續(xù)上升趨勢而非平臺期——這歸因于多孔結(jié)構(gòu)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(gòu)同時承載焦耳熱導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、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(xiàn)動態(tài)智能熱管理。

圖5. CSNA的多模式熱調(diào)節(jié)。 (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(jiān)測的對應(yīng)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(jiān)測。

綜上所述，該研究首次通過基于快-慢相分離的濕度誘導(dǎo)同軸靜電紡絲，直接開發(fā)出仿北極熊毛發(fā)的多孔芯/致密殼納米纖維，用于多模式熱調(diào)節(jié)。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(xiàn)焦耳熱與光熱轉(zhuǎn)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(lán)圖，開啟了極端環(huán)境下智能熱調(diào)節(jié)的新可能。