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  當零下 20 ℃的嚴寒襲來，一件織物能在 50 秒內快速升溫 21.2℃；反復洗滌、拉伸或者摩擦后，光熱效率仍保持穩定；甚至可精準調控熱量輸出，適配日常保暖與局部光熱理療——天津大學封偉教授領導的FOCC團隊從鹽堿地植物-中亞濱藜的生存智慧中汲取靈感，研發的新型分子太陽能熱（MOST）織物（SPMFS），一舉破解該領域長期存在的“力學及光熱性能妥協”難題。

  2025年10月6日，相關成果以“Bioinspired Swelling-Deswelling Strategy Unlocks Synergistic Molecular Solar Thermal-Fabric Systems” 為題，發表于材料頂刊《Advanced Materials》，為可穿戴個人熱管理（PTM）技術開辟新路徑。論文第一作者為天津大學材料學院博士研究生王碩，論文通訊作者為天津大學材料學院封偉教授。

一、仿生靈感溯源：鹽堿地植物的“溶脹-去溶脹”智慧，破解 MOST 織物三大痛點

  MOST 織物因兼具 MOST 分子的高效光熱性能與織物的柔性透氣性，成為 PTM 領域的研究熱點，但實際應用中仍受三大核心問題制約：① MOST 分子在織物中分布不均，工業化制備精度與產量不足；② 分子與基材相容性差，導致力學穩定性和光熱效率存在下降風險；③ MOST分子易泄漏，缺乏長期耐久性。

  而生長在鹽堿區的中亞濱藜（Atriplex centralasiatica），其獨特的“吸鹽-泌鹽”機制為解決這些問題提供了關鍵啟發。如圖 1a 所示，該植物通過表皮囊泡細胞的“溶脹-去溶脹”過程，實現鹽分的吸收和泌出，既維持自身穩態，又形成防護層。這一“溶劑介導-溶質輸運-可控結晶”的獨特現象，成為團隊設計制備策略的核心藍本。基于此，團隊以同軸濕法紡絲制備的熱塑性聚氨酯（TPU）中空氣凝膠纖維（HAFs），開發仿生溶脹-去溶脹策略，實現偶氮苯（Azo-C6）的高效吸收及析出，在纖維表面構建了3-5 μm 厚的均勻Azo-C6單晶層。這一策略不僅解決了 MOST 分子分布不均的問題，更通過“結構重構-界面鍵合”實現力學性能與光熱性能的協同增強，最終力學-光熱性能兼備的高效個人熱管理織物。

圖1. 協同增強的分子太陽能熱-織物體系（SPMFS）設計示意。a) 中亞濱藜（Atriplex centralasiatica）的吸鹽-泌鹽機制；b) 中空氣凝膠纖維（HAFs）的溶脹-去溶脹過程；c、d) SPMFS 在力學性能與光熱性能方面的協同增強示意圖；e) 用于個人熱管理（PTM）且具備優異協同性能的 SPMFS 示意圖。

二、多尺度解析溶脹- 溶脹動態過程：

1. 溶脹過程：多孔結構促進的三階段溶脹動力學

  為優化制備工藝，團隊對 HAFs 的溶脹-去溶脹過程進行了多尺度機制分析，揭示了其動態變化規律。如圖 2 所示，HAFs 的高孔隙率為溶劑滲透與溶質吸收提供了高效通道，其溶脹過程可明確分為 3 個階段：快速滲透期（0-5 s）：受毛細作用與濃度梯度驅動，氯仿溶液快速滲入 HAFs 多孔結構，纖維體積溶脹率迅速升至 185%（圖 2d）；動態平衡期（5-40 s）：氯仿持續破壞 TPU 分子間氫鍵，使分子鏈間隙進一步擴大，體積溶脹率升至 236%，此階段 Azo-C6 分子大量進入纖維內部；飽和穩定期（40-60 s）：TPU 分子鏈溶脹達到極限，纖維體積僅發生極緩慢變化，溶脹過程趨于穩定。

圖 2. 中空氣凝膠纖維（HAFs）溶脹過程的多尺度機制分析。a) 純氯仿與偶氮苯（Azo-C6）/氯仿溶液在 HAFs 表面的接觸角；b) HAFs 的截面形貌；c) HAFs 外表面的孔隙結構；d) HAFs 的溶脹時間-體積溶脹率變化曲線；e) 實心TPU纖維（STFs）在純氯仿中的體積溶脹率；f) HAFs與STFs在純氯仿中的體積溶脹率之比值；g) HAFs 溶脹動態機制示意圖

2. 去溶脹過程：動態氫鍵重組及偶氮苯單晶的析出

  如圖 3 所示，隨著溶劑揮發，HAFs 體積逐漸收縮，表面張力進一步壓縮孔隙結構，TPU 分子鏈重新排列并形成致密網絡，最終纖維體積去溶脹率達 85.01%，結構致密性顯著提升。更重要的是，去溶脹過程中 Azo-C6 分子在 HAFs 粗糙表面發生非均勻成核，最終形成 3-5 μm 厚的致密單晶層（無團聚）。小角 X 射線散射（SAXS）與廣角 X 射線散射（WAXS）結果進一步證實，去溶脹后 TPU 分子鏈排列更規整，Azo-C6 單晶層結晶度高，為光熱性能提升奠定結構基礎。

圖3. HAF去溶脹過程多尺度機制分析。a) HAFs 去溶脹動力學機制示意圖；b、c) 光熱氣凝膠纖維（PTAFs）在反式（E）與順式（Z）異構態下的表面形貌；d) 不同溶脹時長后 HAFs 的去溶脹率曲線；e) HAFs 體積收縮過程示意圖；f) HAFs、溶脹 40 s 后去溶脹的 HAFs（HAF-T₄₀）與光熱氣凝膠纖維（PTAF-T₄₀）的孔徑分布對比；g、h) 小角 X 射線散射（SAXS）與廣角 X 射線散射（WAXS）的 q 軸強度曲線；i) SAXS 與 WAXS 聯合圖譜

三、偶氮苯負載的動態調控

  團隊通過調控溶脹時長與溶液濃度，實現了 Azo-C6 負載的精準控制。研究發現纖維表面在溶脹后形成褶皺結構，且粗糙度在40 s溶脹時間后達到峰值，這為 Azo-C6 結晶提供了充足位點，負載量趨于飽和，達0.22 mg/mg。同時研究了Azo-C6溶液濃度對負載的影響，發現Azo-C6/ 氯仿溶液濃度從 10 mg/mL 增至 60 mg/mL時，PTAFs的Azo-C6負載量從0.12 mg/mg增至0.56 mg/mg，濃度 40 mg/mL 時，能量密度達峰值 7.5 kJ/m2，且分布均勻；濃度超過 40 mg/mL 后，Azo-C6 開始發生團聚。

圖 4. a) 中空氣凝膠纖維（HAFs）在純氯仿中不同溶脹時長（10~60 s）后的三維原子力顯微鏡（3D AFM）圖像；b) 對應（a）中樣品的均方根粗糙度（Rq）與算術平均粗糙度（Ra）；c) 光熱氣凝膠纖維（PTAFs）在偶氮苯（Azo）/氯仿溶液與Azo-C6/乙醇溶液中的負載質量對比；d) 光熱氣凝膠纖維（PTAFs）在Azo-C6）/氯仿溶液中不同溶脹時長（10~60 s）后的表面形貌；e) 采用Azo-C6/乙醇溶液制備的光熱氣凝膠纖維（PTAFs）；f) 不同濃度Azo-C6/氯仿溶液制備的光熱氣凝膠纖維（PTAFs）的截面形貌；g) 對應（f）中樣品的負載質量與能量密度；h) Azo-C6濃度為 20 mg/mL 的光熱氣凝膠纖維（PTAF-C₂₀）的三維斷層掃描（3D CT）圖像

四、力學-光熱協同增強機制

  如圖 5a、b 所示，FTIR 測試揭示了Azo-C6 作為“動態交聯點”限制 TPU 分子鏈運動，增強了TPU分子鏈間作用力，同時表面單晶層能分散微裂紋、緩解應力集中，從而實現了力學性能的提升。PTAF_T40（溶脹40 s纖維）的斷裂應變達 690%，較原始 HAFs（466%）提升 48%；拉伸強度達18.3 MPa，較 HAFs（7.99 MPa）提升129%。圖 5d 進一步對比了 HAFs與PTAF_T40在不同環境溫度下的應力 - 應變曲線，發現PTAF_T40在- 20 ℃至40 ℃范圍內均保持良好機械性能，滿足日常穿戴需求。

  均勻分布的 Azo-C6 單晶層是光熱性能提升的關鍵。如圖 5e 所示，傳統 MOST 織物中 Azo-C6 易團聚，導致光能利用率低；而PTAFs中Azo-C6均勻單晶層實現全域光能捕獲，大幅提升光異構化效率。PTAF_T40的E→Z異構化率達 94.87%，且Z→E逆異構化速率大幅提升。

圖 5 光熱氣凝膠纖維（PTAFs）力學-光熱性能協同增強示意。a) PTAFs力學穩定性增強機制示意圖；b) HAF、溶脹 40 s 制備的 PTAF（PTAF_T40）及Azo-C6粉末的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；c) 經歷不同溶脹時長（10~60 s）的PTAFs的斷裂應變與拉伸強度；d) HAFs與 PTAF_T40 在不同環境溫度下的應力-應變曲線；e) Azo-C6團聚結構與 PTAFs 表面在光照下的狀態示意圖；f) PTAFs中Azo-C6可逆光異構化機制示意圖；g) PTAF_T40與Azo-C6粉末的紫外-可見吸收光譜（UV–vis）；h) PTAF與Azo-C6粉末的異構化組成隨光照時間變化的曲線；i) 20 ℃下，Azo-C6溶液濃度為 20 mg/mL的 PTAF（PTAF_C20）與Azo-C6粉末在 420 nm光（40 mW/cm2）照射下的動力學分析

五、SPMFS 的個人熱管理應用

  團隊針對 SPMFS 的個人熱管理能力進行了多場景測試，證實其實際應用價值。如圖 6a 所示，SPMFS在70內秒升溫25.5℃，升溫速率遠高于原始 HAFs織物（2.2℃，11.6 倍）。團隊模擬 – 20 ℃嚴寒環境，以 80 mW/cm2 模擬日光照射 SPMFS，在50秒內快速升溫 21.2℃，證明其在低溫環境下的高效光熱性能。團隊制備了 30 cm×12 cm 的大尺寸SPMFS，在穿戴測試中均表現出優異的個人熱管理性能。

圖 6. a) 不同織物在 420 nm 光（40 mW/cm2）照射下的表面溫度隨時間變化曲線；b) SPMFS_C20在假人穿戴后的戶外光熱測試；c) 模擬寒冷穿戴條件下，SPMFS_C20的個人熱管理（PTM）測試示意圖；d) 對應（c）測試的溫度隨時間變化曲線；e) SPMFS_C20織物的光學圖像與紅外（IR）圖像；f) 模擬太陽光（40 mW/cm2）照射下，對應（e）織物的表面溫度隨時間變化曲線

  該研究受到國家科技部重點研發項目(No. 2022YFB3805702)和國家自然科學基金委重點基金和重大儀器研制項目（Nos.52130303和52327802）的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202514043

通訊作者簡介：

  封偉，天津大學二級教授、博士生導師。國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家杰出青年基金獲得者，科技部中青年創新領軍人才, 天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市首批“131”創新型人才團隊負責人，英國皇家化學會會士（FRSC），日本學術振興委員會JSPS高級訪問學者，享受國務院政府特殊津貼專家，某領域重點專項首席科學家。任第七屆、第八屆教育部科技委學部委員、中國復合材料學會常務理事、導熱復合材料專委會首任主任委員、分會會長；中國機械工程學會材料分會高分子材料專業委員會委員，中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事、纖維材料改性與復合技術分會常務理事、SAMPE中國大陸總會智能復合材料專委會副主任委員等職。主要從事功能有機碳復合材料，高導熱復合材料，光熱能轉換存儲材料，高性能氟化碳材料以及智能響應功能復合材料方向研究，研究成果在Chem. Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed等期刊上發表文章200余篇、出版中文學術專著1部、英文專著4部、授權中國發明專利80余項，授權國際專利5項。連續五年入選美國斯坦福大學全球前2%頂尖科學家“終身科學影響力”和“年度科學影響力”榜單，入選國際學術機構ScholarGPS的2024年全球前0.05%頂尖科學家榜單（近五年）。獲得教育部、天津市、中國復合材料學會等省部級自然科學獎、技術發明獎等一等獎5項。擔任《塑料工業》、《功能高分子學報》、《Thermo-X》、《Engineering Science》、《Nanomaterials》、《Energy Materials》、《Smart materials and Devices》等期刊編委。