来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202514043

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背景介绍

全球能源危机下，个人热管理（PTM）可替代集中式供暖、通风与空调（HVAC） 系统，实现精准热调控（如医疗局部理疗），减少能源浪费，但现有技术需突破材料集成瓶颈。分子太阳能热（MOST）材料（如偶氮苯，Azo）通过光异构化储存太阳能，按需释放热量，具备零温室气体排放、可充电、易运输等优势，是 PTM 的理想候选材料。现有 MOST - 织物系统的三大瓶颈：1. 现有制备方法缺乏MOST与织物结合的精度与效率；2. MOST 材料与织物基材间的固有不相容性，往往使复合材料的力学稳定性与光热效率大幅下降；3. MOST 分子存在潜在泄漏风险，且复合织物的长期耐久性不足，这些问题为实际应用带来重大隐患，亟需创新性策略提升其稳定性与可靠性。

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成果掠影

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授团队，开发了一种基于中空气凝胶纤维（HAFs）的创新性溶胀-去溶胀策略，构建出“力学-光热性能协同增强的MOST-织物体系（SPMFS）”。该系统中，热塑性聚氨酯（TPU）链在溶胀（体积膨胀 236%）- 脱溶胀（体积收缩 85%）过程中重组为致密网络，偶氮苯（Azo）同步形成均匀单晶层，使 SPMFS 的断裂应变提升 48%、拉伸强度提升 129% ，光热转换效率超 94%，能量密度达 7.5 kJ/m²；其在 20℃环境下可见光照射可维持 37.4℃升温，-20℃下 12 秒内即可将织物 - 皮肤微环境升至 40.0℃，且具备优异的耐洗涤、抗拉伸和摩擦稳定性，为下一代可穿戴个人热管理（PTM）系统提供了新方案。研究成果“Bioinspired Swelling-Deswelling Strategy Unlocks Synergistic Molecular Solar Thermal-Fabric Systems for Personal Thermal Management”为题发表在《Advanced Materials》

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图文导读

图1. 协同增强的分子太阳能热-织物体系（SPMFS）设计示意。a) 中亚滨藜（Atriplex centralasiatica）的吸盐-泌盐机制；b) 中空气凝胶纤维（HAFs）的溶胀-去溶胀过程；c、d) SPMFS 在力学性能与光热性能方面的协同增强示意图；e) 用于个人热管理（PTM）且具备优异协同性能的 SPMFS 示意图。

图 2.中空气凝胶纤维（HAFs）溶胀过程的多尺度机制分析。a) 纯氯仿与偶氮苯（Azo-C6）/氯仿溶液在 HAFs 表面的接触角；b) HAFs 的截面形貌；c) HAFs 外表面的孔隙结构；d) HAFs 的溶胀时间-体积溶胀率变化曲线；e) 实心TPU纤维（STFs）在纯氯仿中的体积溶胀率；f) HAFs与STFs在纯氯仿中的体积溶胀率之比值；g) HAFs 溶胀动态机制示意图。

图3. HAF去溶胀过程多尺度机制分析。a) HAFs 去溶胀动力学机制示意图；b、c) 光热气凝胶纤维（PTAFs）在反式（E）与顺式（Z）异构态下的表面形貌；d) 不同溶胀时长后 HAFs 的去溶胀率曲线；e) HAFs 体积收缩过程示意图；f) HAFs、溶胀 40 s 后去溶胀的 HAFs（HAF-T40）与光热气凝胶纤维（PTAF-T40）的孔径分布对比；g、h) 小角 X 射线散射（SAXS）与广角 X 射线散射（WAXS）的 q 轴强度曲线；i) SAXS 与 WAXS 联合图谱。

图 4. a) 中空气凝胶纤维（HAFs）在纯氯仿中不同溶胀时长（10~60 s）后的三维原子力显微镜（3D AFM）图像；b) 对应（a）中样品的均方根粗糙度（Rq）与算术平均粗糙度（Ra）；c) 光热气凝胶纤维（PTAFs）在偶氮苯（Azo）/氯仿溶液与Azo-C6/乙醇溶液中的负载质量对比；d) 光热气凝胶纤维（PTAFs）在Azo-C6）/氯仿溶液中不同溶胀时长（10~60 s）后的表面形貌；e)采用Azo-C6/乙醇溶液制备的光热气凝胶纤维（PTAFs）；f) 不同浓度Azo-C6/氯仿溶液制备的光热气凝胶纤维（PTAFs）的截面形貌；g) 对应（f）中样品的负载质量与能量密度；h) Azo-C6浓度为 20 mg/mL 的光热气凝胶纤维（PTAF-C20）的三维断层扫描（3D CT）图像。

图 5 光热气凝胶纤维（PTAFs）力学-光热性能协同增强示意。a) PTAFs力学稳定性增强机制示意图；b) HAF、溶胀 40 s 制备的 PTAF（PTAFT40）及Azo-C6粉末的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；c) 经历不同溶胀时长（10~60 s）的PTAFs的断裂应变与拉伸强度；d) HAFs与 PTAFT40 在不同环境温度下的应力-应变曲线；e) Azo-C6团聚结构与 PTAFs 表面在光照下的状态示意图；f) PTAFs中Azo-C6可逆光异构化机制示意图；g) PTAFT40与Azo-C6粉末的紫外-可见吸收光谱（UV–vis）；h) PTAF与Azo-C6粉末的异构化组成随光照时间变化的曲线；i) 20 ℃下，Azo-C6溶液浓度为 20 mg/mL的 PTAF（PTAFC20）与Azo-C6粉末在 420 nm光（40 mW/cm²）照射下的动力学分析。

图 6. a) 不同织物在 420 nm 光（40 mW/cm²）照射下的表面温度随时间变化曲线；b) SPMFSC20在假人穿戴后的户外光热测试；c) 模拟寒冷穿戴条件下，SPMFSC20的个人热管理（PTM）测试示意图；d) 对应（c）测试的温度随时间变化曲线；e) SPMFSC20织物的光学图像与红外（IR）图像；f) 模拟太阳光（40 mW/cm²）照射下，对应（e）织物的表面温度随时间变化曲线。