仿生坚韧超纤维：用于耐久被动辐射热管理的分层光热结构
学术背景
随着全球气候变化的加剧，建筑能源消耗，尤其是空调系统的能耗，持续增加。据统计，建筑空调系统占全球年电力消耗的约10%，这一数字随着碳排放的增加而不断攀升，进一步加剧了全球变暖的恶性循环。被动辐射热管理技术，特别是通过选择性光谱调制的辐射冷却技术，被认为是解决这一问题的潜在方案。这种技术通过散射太阳光（0.3-2.5 μm）并通过大气窗口（8-14 μm）将热量辐射到外太空（约3 K），从而实现无需额外能源输入或环境污染的自动温度调节。
然而，现有的辐射冷却材料，如玻璃、块体、薄膜和涂层，通常存在柔韧性和透气性不足的问题，限制了其在特定物体表面的应用。纤维基材料由于其优异的柔韧性和可塑性，被广泛应用于各种场景。然而，现有的纤维材料在机械强度和耐久性方面存在显著缺陷，尤其是在户外冷却应用中，材料的高太阳光反射率和机械强度的结合仍然是一个巨大的挑战。
论文来源
这篇论文由Xiaoyan Li、Zhiguang Guo等研究人员撰写，来自东华大学（Donghua University）、四川大学（Sichuan University）和芝加哥大学（University of Chicago）等机构。论文于2025年发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，题为《Bio-Inspired Tough Metafiber with Hierarchical Photonic Structures for Durable Passive Radiative Thermal Management》。
研究流程与结果
1. 研究设计与纤维制备
研究人员受天然蚕丝纤维的启发，设计了一种具有多层级光热结构的仿生纤维（PMABF）。蚕丝纤维以其独特的多层级形态结构著称，具有优异的光学和机械性能。研究人员通过纳米纤维聚集体的多尺度结构构建和分子界面工程，开发了一种类似于蚕丝的坚韧超纤维。
制备过程分为以下几个步骤： 1. Aramid 纳米纤维（ANFs）凝胶的制备：将Kevlar 1000D纤维剪切、洗涤并干燥后，与二甲基亚砜（DMSO）、氢氧化钾（KOH）和去离子水混合，搅拌24小时形成ANFs凝胶。 2. 纤维成型：将ANFs凝胶注入不同形状的针头（如蚕丝状和圆形）中，并在室温下静置24小时，形成ANFs凝胶纤维。 3. 分子界面工程：将ANFs凝胶纤维浸入甲基三甲氧基硅烷（MTMS）溶液中，加入乙酸溶液进行原位水解和缩合反应，形成纳米纤维网络结构。 4. 冷冻干燥：通过溶剂置换和冷冻干燥技术，最终制备出具有多层级光热结构的PMABF纤维。
2. 光学与机械性能测试
研究人员通过一系列实验测试了PMABF纤维的光学和机械性能： - 光学性能：PMABF织物在大气窗口内表现出高达98.6%的中红外（MIR）发射率和86.7%的太阳光谱反射率。这种高反射率归因于其表面微/纳米颗粒和内部空隙的椭圆形光子结构。 - 机械性能：通过分子界面工程，PMABF纤维的拉伸强度提高了125%，压缩应力提高了261.5%。分子间的强相互作用力有效分散了外部应力，增强了纤维的机械强度。 - 热稳定性与疏水性：PMABF纤维表现出优异的热稳定性和疏水性，即使在极端环境下也能保持其结构和性能。
3. 实际应用测试
研究人员将PMABF纤维应用于建筑屋顶和外墙，模拟了其在建筑热管理中的表现。通过EnergyPlus软件计算，安装PMABF的建筑在11个不同气候条件下的年能源消耗显著减少，最高可达85.7%。此外，PMABF纤维还被用于制作双模式织物，通过高真空电阻蒸发涂层（HVREC）技术在纤维一侧沉积银膜，实现了冷却模式和加热模式的切换。
结论与意义
这项研究通过仿生设计，成功开发了一种具有多层级光热结构的坚韧超纤维，实现了优异的光学和机械性能，适用于被动辐射冷却。PMABF纤维不仅具有高太阳光反射率和MIR发射率，还表现出卓越的机械强度、热稳定性和疏水性，为建筑能源管理和极端环境下的热保护提供了新的解决方案。
研究亮点
- 仿生设计：通过模仿蚕丝纤维的多层级结构，成功开发出具有优异光学和机械性能的仿生纤维。
- 分子界面工程：通过分子界面调控，增强了纤维的机械强度和光学性能，实现了多层级结构的协同效应。
- 实际应用：PMABF纤维在建筑热管理和双模式织物中的应用，展示了其在能源节约和热管理中的巨大潜力。
其他有价值的信息
研究还展示了PMABF纤维在热隐身和电热应用中的潜力，进一步拓宽了其应用场景。通过高真空电阻蒸发涂层技术，研究人员成功制备了具有高导电性的银膜纤维，为红外隐身和电热调节提供了新的可能性。
这篇研究不仅为纤维材料的设计提供了新的思路，还为建筑能源管理和极端环境下的热保护提供了切实可行的解决方案，具有重要的科学和应用价值。