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  在全球能源緊張與智能柔性電子快速發展的背景下，如何實現高效、零能耗的溫度調控成為一項關鍵挑戰。近日，東華大學王宏志教授/瑞士聯邦材料科學與技術研究所（EMPA）趙善宇研究員成功開發一種自適應溫度響應型多纖維諧振器結構的智能超面料（metafabric），在無外部能耗的情況下可實現冷熱環境下的自適應熱調控，為面向智能穿戴和柔性電子等領域的熱管理技術提供了一種新型綠色解決方案。

背景與挑戰：柔性電子需要“會思考的皮膚”

  當前，全球30-40%的能源消耗用于環境加熱與冷卻。隨著人工智能、柔性機器人及可穿戴設備的迅猛發展，智能熱管理柔性材料的需求也日益增長。工作中的電子設備會產生熱量，同時也暴露于復雜多變的外界溫度中，過冷或過熱都可能嚴重影響其性能和壽命。

  盡管已有很多關于被動輻射冷卻薄膜或面料的研究報道，如納米多孔聚乙烯面料、層狀多孔膜等通過長波紅外（LWIR）輻射實現“冷卻”，但這些材料通常是單向和靜態的，在寒冷環境下可能會加重設備的熱損失。

  為了實現真正“懂得冷熱”的智能電子皮膚系統的研發，研究團隊構思了溫度響應型自適應熱管理（Adaptive Thermal Management, ATM）的設計概念，即柔性面料能根據溫度變化主動調整其對太陽光和紅外輻射的反射或發射。

技術突破：多纖維諧振器結構實現冷熱雙調控

  該研究核心創新在于：首次在三維柔性納米纖維面料中引入多纖維諧振腔機制，構建了一種響應環境溫度變化的“智能面料”。

  研究團隊通過電紡法制備出具有高孔隙率（~80%）的聚四氟乙烯（PTFE）無紡布，并在其上下表面分別沉積摻鎢（W）的二氧化釩（VO?）納米顆粒和銀（Ag）納米顆粒，在大量的單根納米纖維上構建“Janus型”雙面涂層結構。

• 在高溫時，VO?發生絕緣-金屬相變，激活纖維諧振腔結構，實現高紅外發射，從而達到高效散熱；
  

• 在低溫時，VO?轉變回絕緣態，抑制紅外發射，從而實現有效保溫。

  這種微觀多纖維諧振器如多個微型“熱門控”，在溫度變化時自動“開啟”或“關閉”，從而實現面料對太陽可見光（VIS）—近紅外（NIR）—長波紅外（LWIR）光譜的廣譜調控。

性能優勢顯著，廣譜調節能力突出

  該智能面料在多個關鍵熱調控性能上實現了突破，其在高低溫下的紅外發射率調節效率（Δε）高達0.69，可見光反射率調節效率（ΔR）達19.8%，近紅外反射率調節效率（ΔR）達27.9%，實現了從VIS到LWIR的廣譜調控能力；該面料無需電力驅動，動態響應溫度變化實現自適應調節；同時，該面料還具備柔性、耐用、防水等工程適配性，適用于柔性電子集成。

  在實際測試中，該面料在低溫（約9.7 °C）下覆蓋熱源可使其溫度上升2 °C，在高溫（約63.6 °C）下覆蓋熱源可使其溫度顯著下降16.6 °C，充分展示其動態雙向調溫能力。

應用前景廣闊：從電子皮膚到綠色建筑

  該研究成果不僅為下一代可穿戴柔性電子設備和智能機器人等提供了輕量化、環保、零能耗的熱調控方案，也可拓展至建筑節能（如窗簾、帳篷）、空間蒙皮及國防裝備等多領域，具有廣闊的實際應用潛力。

圖1. 無源自適應動態熱調節智能諧振超面料的結構與概念。a) 帶有IR門控的諧振腔超面料在高溫（左）和低溫（右）下的工作原理。其中較粗/較細的紅色和黃色實線箭頭表示較強/較弱光輻射，紅色虛線箭頭表示極弱IR輻射。b）諧振腔超面料的示意圖。c）超面料中纖維狀諧振腔的結構示意圖。d）超面料的實物照片。e）超面料溫度為20 °C（藍線）和60 °C（紅線）時在VIS-NIR和LWIR范圍內的光譜圖，并分別與標準化AM1.5全球太陽光譜（藍色陰影）和LWIR ATSW（紅色陰影）相對照

圖2. 諧振器超面料的結構構筑與光學模擬。a）VO₂和Ag NPs分別從面料斷面的頂部和底部進入內部。b）和對其各自NPs穿透面料深度的影響。c）超面料斷面的SEM圖。d）通過SEM和EDS線性映射獲得的斷面線性上-下元素分布曲線。e）諧振腔超面料斷面處的纖維結構。f-h）分別模擬了超面料中平行模型在高低溫下的諧振模式f，g）和LWIR吸收光譜h）。i）模擬了超面料中單一模型在高低溫下的LWIR吸收光譜。

圖3. 諧振腔超面料的制造和性能特點，包括其疏水性、機械柔性、可洗性和結構動態穩定性。a）基于靜電紡絲、真空沉積和氣動沉積工藝的光學諧振腔面料的制備流程圖。b）水滴在傾斜35°的超面料上滑落的過程（水滴流速約5 μL min^?1；N、G、F_total分別表示法向力、液滴重力和阻力）。c）超面料的柔韌性。d）初生PTFE面料、熱處理后的PTFE面料、商用PTFE面料和超面料的機械強度。e）諧振腔超面料的可洗性及洗滌循環過程中冷熱IR發射率的穩定性

圖4. 響應溫度變化的光熱動態門控。a）1層、2層和3層諧振腔超面料在高低溫下的IR發射光譜。b）超面料在冷熱循環作用下的IR熱調節循環穩定性。c）諧振腔超面料在溫度變化下（藍線）的IR發射率。數據在8～13 μm上取LWIR發射率平均值，并繪制成時間曲線。d-f）PTFE納米纖維平均直徑和VO₂ NPs沉積劑量對（d）、（e）和Δε（f）的影響。g）超面料和VO₂/PTFE面料的紅外熱成像，溫度范圍為25～60 °C。h）裸熱表面、覆蓋VO2/PTFE面料和諧振超面料的熱表面在室外溫度變化下的實時溫度記錄。i，j）分別在低溫（i）和高溫（j）下對裸露的熱表面和覆蓋有超面料和VO₂/PTFE面料的熱表面進行實時溫度記錄。

研究團隊與國際合作

  該項目由東華大學先進纖維材料全國重點實驗室牽頭，聯合瑞士Empa材料研究所、蘇黎世聯邦理工學院等單位協同攻關。該成果近日以“Temperature-Responsive Resonator Metafabrics for Self-Adaptive Thermoregulation”為題，發表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2025, 2422485)上。東華大學材料科學與工程學院博士研究生位艷芳為文章第一作者，王宏志教授、趙善宇研究員及侯成義研究員為論文共同通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422485