北京大學《自然·通訊》：高強度、超隔熱氣凝膠纖維，開啟智能熱管理紡織品新紀元

傳統保暖材料的困境：機械強度與隔熱性能的“魚與熊掌”難題

在人體熱調節的“第二層皮膚”——服裝領域，傳統天然纖維長期以來扮演著不可或缺的角色。然而，隨著極端氣候頻發和可持續發展目標的推進，氣凝膠纖維因其高孔隙率和超低導熱性，成為個人熱管理領域極具吸引力的替代材料。然而，該領域的發展始終面臨一個根本性挑戰：機械強度與隔熱性能之間難以調和的矛盾。追求隔熱所必需的高孔隙率，往往以犧牲機械強度為代價，導致纖維難以承受工業化紡織過程的嚴苛考驗。盡管研究人員已將纖維強度從幾十千帕提升至約70兆帕，但這僅能滿足手工編織，遠不足以應對復雜的現代紡織工程需求。

北京大學張錦院士、邵元龍特聘研究員和江南大學馬丕波教授、蘇州大學程濤教授合作，提出了一種創新的離子介導衰減庫侖組裝策略，利用可回收的雜環芳綸納米纖維構建分級結構氣凝膠纖維。該策略成功調和了機械強度與隔熱性能的矛盾，制備出的雜環芳綸納米纖維氣凝膠纖維兼具高達83.1兆帕的拉伸強度和低至22.0毫瓦每米每開爾文的超低導熱系數，不僅可進行工業化針織加工，其制成的紡織品保暖性能顯著優于傳統纖維，為下一代柔性、耐用、超級隔熱材料的工程化應用提供了可擴展且可持續的解決方案。相關論文以“Knittable, thermally insulating, and sustainable aerogel fibers enabled by ion-mediated hierarchical assembly”為題，發表在

Nature Communications

圖1 | 可調控制備分級結構HANF-AF及紡織工程。 (a) 通過濕法紡絲工藝制備分級結構HANF-AF。(b) 濕法紡絲溶膠-凝膠轉變中質子介導的相轉化示意圖，展示了通過表面電荷調控和雙擴散實現的分級組裝。(c) 極限孔隙率與極限拉伸應變的Ashby圖。(d) HANF-AF絲束照片，展示了可規模化制造能力。(e) 用HANF-AF工業針織加工調溫服裝。(f) 自動針織機上生產的HANF-AF面料（左），放大視圖顯示規則的針織組織結構（右上）和折疊面料的柔韌性（右下）。(g) HANF-AF制成的背心（左）和棉質面料（右）。(h) 環境艙中測試的相應紅外熱像圖。

從廢棄物到高性能纖維：閉環回收與納米級結構調控

這項研究的起點是廢棄的雜環芳綸纖維。研究團隊通過一種自上而下的回收策略（圖2a），將這些工業廢料轉化為直徑僅3.4納米的超細芳綸納米纖維，實現了材料的閉環循環利用。這一過程始于KOH/二甲基亞砜超堿體系中的各向異性溶脹，氫氧化物的滲透破壞了分子間密集的氫鍵網絡，最終獲得帶負電、高度穩定的單根納米纖維分散液（圖2b, c）。相較于傳統Kevlar芳綸納米纖維（約18.4納米），這種超細的尺寸（圖2d）為后續的精密結構工程提供了理想的納米構筑平臺。

圖2 | 超細HANF的可持續制備與表征。 (a) 廢舊芳綸纖維回收方案及氣凝膠纖維生產工作流程。(b) 芳綸纖維的多尺度結構層次。KOH/DMSO超堿有機溶劑體系有效破壞鏈間氫鍵，形成具有高電負性和靜電排斥的穩定納米纖維分散液。(c) 所得HANF的原子力顯微鏡圖像。(d) 單根HANF和Kevlar-ANF的寬度頻率分布。Kevlar-ANF的寬度代表文獻中的典型值。

“編程”式自組裝：質子觸發下的多級結構演變

這些納米構筑單元的組裝過程由非共價相互作用與靜電排斥之間的平衡所決定（圖3a）。研究揭示了質子觸發的兩步協同組裝機制（圖3b）：首先，質子中和納米纖維的負電荷，zeta電位在pH約11.5時達到臨界點（圖3c），減弱庫侖排斥力，引發納米纖維橫向聚集成束；隨后，咪唑基團的進一步質子化驅動纖維束的融合與成熟。紫外-可見光譜中吸收峰的藍移（圖3d）和紅外光譜中特征峰的增強證實了這一過程。通過三元相圖計算（圖3e）和流變學測試（圖3f）發現，酸性凝固浴顯著降低了相分離所需的非溶劑閾值，并使零剪切粘度激增8.4倍。粗粒化分子動力學模擬（圖3g）進一步直觀證實，降低庫侖排斥促使納米纖維聚集成更致密的團聚體，同時擴大團聚體間的空隙。

圖3 | HANF二級組裝的基本原理。 (a) 不同納米構建塊寬度下纖維孔隙率與強度相關性的示意圖。(b) 質子誘導的納米纖維結構演變和HANF衰減庫侖自組裝過程中原纖間相互作用的示意圖。↑的數量表示HANF相分離過程中受到的非共價相互作用力的大小。(c) 不同酸濃度滴定下HANF分散液的Zeta電位。pH~11.5是HANF衰減庫侖行為的關鍵點。數據以平均值±標準差表示，n=3次獨立實驗。(d) 不同酸濃度滴定下HANF分散液的紫外-可見光譜。(e) HANF/DMSO/酸水溶液體系的三元相圖，藍-黃漸變區域反映了相分離過程中對非溶劑含量需求增加的趨勢。(f) 加入1.0wt%酸后顏色和粘度變化的照片。(g) 粗粒化分子動力學模擬快照，顯示不同質子化程度下帶電納米纖維的結構演變。

核殼結構解密：梯度多孔網絡如何兼顧強韌與隔熱

通過原位偏光顯微鏡觀察發現，濕法紡絲過程中，凝固浴的酸濃度決定了凝膠化前沿從纖維表皮向芯層傳播的速度（圖4a, b）。通過調控凝固浴酸度和牽伸比，研究團隊實現了對纖維微觀結構的精準“編程”。所得HANF-AF呈現出獨特的雙尺度多孔結構：致密的納米多孔芯層與包裹著連通納米纖維網絡的大孔蜂窩狀殼層（圖4c）。這種分級結構在拉伸過程中實現了高效的應力傳遞，牽伸后的纖維拉伸強度可達111.2兆帕（圖4d）。模擬結果表明，取向分級網絡相比各向同性或單一取向網絡，具有更均勻的應力分布和更高的載荷傳遞效率（圖4e, f）。更重要的是，這種結構通過克努森效應抑制氣相熱傳導、延長固相傳熱路徑、阻隔熱輻射，協同實現了超低的熱導率（圖4g-i），單層纖維氈在100°C熱臺上的溫差表現遠超Kevlar纖維。

圖4 | HANF-AF的微觀結構及其熱/力學性能。 (a) 濕法紡絲初生纖維的原明明場和偏光顯微鏡圖像，揭示了形成過程中的凝膠形態演化和液晶取向。(b) 凝膠化前沿邊界位置隨時間的位移曲線。數據以平均值±標準差表示，n=3次獨立實驗。(c) 在2wt% H?SO?凝固浴中纖維的分級多孔結構。(d) 代表性的應力-應變曲線對比：各向同性Kevlar-ANF、各向同性HANF、分級結構HANF和牽伸比為1.7的分級結構HANF。(e, f) 揭示潛在增強機制的單軸拉伸模擬。快照顯示了四種代表性納米纖維網絡模型的米塞斯應力分布，分別從(e)頂部和(f)正面觀看。(g) 具有分級孔結構和各向同性三維網絡結構的多孔纖維的熱傳導示意圖。(h) 纖維表面與熱基底之間的溫差與單層氣凝膠纖維的關系。(i) 極限熱導率與極限拉伸應變的Ashby圖。

工業化針織驗證：從實驗室纖維到保暖背心的“最后一公里”

研究的關鍵突破在于證明了HANF-AF yarn的工業可加工性。50長絲紗線的斷裂載荷超過12牛（圖1d），遠超工業針織機約3.4牛的最低要求，成功在商業全自動橫機上織造成大面積面料，并最終縫制成一件夾克（圖1f, g）。在0°C環境艙中進行的熱人實驗表明（圖5c, e），HANF-AF織物一側的皮膚溫度維持在32.7°C，較棉質對照側（31.3°C）高出1.4°C，外表面溫差高達5.1°C。在北京冬季戶外實地測試中（圖5f-h），穿著HANF-AF織物一側的志愿者體表溫度更高，且外表面溫度更低，證明了其卓越的保暖性能。此外，該織物在經歷100°C至-196°C的反復熱沖擊后，仍能保持97%以上的原始隔熱能力，展現出在極端環境下的應用潛力。

圖5 | 具有優異隔熱性能的HANF-AF針織面料。 (a) 設計面料結構和背心圖案、工業針織面料、整合面料片、為HANF-AF基背心縫制拉鏈，展示了大規模生產的潛力。(b) 針織HANF-AF面料的機械回彈性和柔韌性。(c) 穿著HANF-AF面料（左）和棉面料（右）背心的熱人模型，在0°C環境艙中30秒和20分鐘后的表面溫度測量。(d) HANF-AF、芳綸、絲綢和滌綸面料制成的背心照片及相應的紅外熱像圖。(e) HANF-AF和棉的面料表面溫度追蹤。曲線代表平均表面溫度，如圖5c中白色虛線框所示。(f) 北京戶外服裝熱性能測試實驗裝置。(g) 穿著定制背心（HANF-AF面料和棉面料）志愿者的熱像圖。(h) HANF-AF面料和棉面料的表面溫度變化曲線。

展望：開啟可持續高性能熱管理紡織品的新篇章

這項研究通過動力學控制的酸觸發組裝策略，成功構建了分級結構的芳綸納米纖維氣凝膠纖維，從根本上打破了隔熱與強韌之間的經典權衡。多尺度表征與模擬證實，這種分級結構是實現低熱導率和可紡織加工性的關鍵。更重要的是，從廢棄纖維到功能服裝的閉環制造流程，為可持續、高性能紡織品指明了一條清晰的產業化路徑。該工作為將氣凝膠的優異性能轉化為可穿戴熱管理應用的纖維材料，提供了一種可規模化、可持續的實現方案。