来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-026-69790-6

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背景

气凝胶纤维存在机械强度与隔热性能的固有权衡难题—— 提升隔热性能所需的高孔隙率，会导致材料机械强度呈指数级下降；现有研究虽将气凝胶纤维强度提升至约 70 MPa，但仅能满足手工编织，无法适配工业针织 / 织造的严苛加工要求。传统芳纶纤维致密的高结晶结构，导致其隔热性能有限，且极强的分子间作用力使其极难回收，造成严重的资源浪费与环境压力。

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成果掠影

近日，北京大学 张锦院士，邵元龙研究员 团队联合江南大学马丕波教授，苏州大学 程涛教授团队开发了离子介导的衰减库仑分级组装策略，以回收的杂环芳纶纳米纤维（HANFs）为构筑基元，成功制备出可编织、超隔热、可持续的气凝胶纤维（HANF-AF），破解了气凝胶领域长期存在的机械强度与隔热性能的固有权衡难题。该纤维实现了拉伸强度 30.4-133.1 MPa、孔隙率 59.8%-95.4% 的宽范围可调，最优工况下同时兼顾83.1 MPa 的拉伸强度与22.0 mW/m・K的超低热导率，可通过工业湿法纺丝实现公斤级规模化制备，能直接适配商用针织设备加工成保暖纺织品，0℃环境下其织物比纯棉织物的保温温差高 5.1℃，同时实现了废弃芳纶材料的闭环回收与高值化利用，为下一代柔性超隔热先进热管理材料提供了可规模化落地的可持续方案。研究成果以“Knittable, thermally insulating, and sustainable aerogel fibers enabled by ion-mediated hierarchical assembly” 为题，发表于《Nature Communications》期刊。

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图文导读

图1. HANF-AF 的制备与纺织工程应用。(a) 湿法纺丝制备分级结构 HANF-AF 的流程示意图（挤出凝固、洗涤牵伸、溶剂交换、卷绕干燥）；(b) 质子介导相转化的示意图，通过表面电荷调控与双扩散实现分级组装；(c) 不同材料的孔隙率 - 拉伸强度阿什比图（HANF-AF 表现出优异的强度 - 孔隙率平衡）；(d) 规模化制备的 HANF-AF 丝束照片（长度 25 cm）；(e) 工业针织机加工 HANF-AF 面料的过程；(f) 自动针织机制备的 HANF-AF 面料（左）、面料放大图（右上）及折叠柔韧性展示（右下）；(g) HANF-AF 背心（左）与棉质背心（右）；(h) 0℃环境箱中两种背心的红外热成像图（HANF-AF 侧表面温度更低）。

图2. HANFs 的可持续制备与表征。(a) 废弃芳纶纤维的回收流程与气凝胶纤维生产 workflow（废弃原料→切碎→超碱体系剥离→纺丝原液→湿法纺丝→特殊干燥→HANF-AF→纺织加工→再生利用）；(b) 芳纶纤维的多尺度结构层级（宏纤维→微纤维→纳米纤维），KOH/DMSO 体系破坏分子间氢键形成高电负性纳米纤维分散液；(c) HANFs 的原子力显微镜（AFM）图像；(d) HANFs 与凯夫拉芳纶纳米纤维（Kevlar-ANFs）的直径分布对比（HANFs 平均直径 3.4±0.9 nm，Kevlar-ANFs 为 18.4±5.5 nm）。

图3. HANFs 二次组装的基本原理。(a) 不同纳米构筑单元直径与纤维孔隙率、强度的关联示意图；(b) 质子诱导 HANFs 结构演化与纤维间相互作用的示意图（数字标记非共价相互作用强度）；(c) 不同酸浓度滴定下 HANF 分散液的 Zeta 电位变化（pH≈11.5 为库仑作用衰减临界点）；(d) 不同酸浓度下 HANF 分散液的紫外 - 可见光谱（质子化导致吸收峰从 420 nm 蓝移至 360 nm）；(e) HANF/DMSO/ 酸水体系的三元相图（蓝黄渐变区反映相分离所需非溶剂含量变化趋势）；(f) 添加 1.0 wt% 酸后 HANF 分散液的颜色与粘度变化照片；(g) 粗粒度分子动力学（CG-MD）模拟快照（展示不同质子化程度下带电纳米纤维的结构演化）。

图4. HANF-AF 的微观结构与热 / 力学性能。(a) 湿法纺丝过程中初生纤维的明场与偏振显微镜原位图像（展示凝胶形态与液晶取向演化）；(b) 凝胶前沿边界位移随时间的变化曲线（2 wt% H₂SO₄凝固浴凝胶速率更快）；(c) 2 wt% H₂SO₄凝固浴制备的 HANF-AF 分级多孔结构（壳层大孔 + 核层纳米孔）；(d) 不同类型气凝胶纤维的应力 - 应变曲线对比（分级结构 HANF-AF 经牵伸后强度达 111.2 MPa）；(e)-(f) 单轴拉伸模拟的米塞斯应力分布（顶部视图 e、正面视图 f），展示各向同性、取向、取向 - 分级三种网络模型的应力传递差异；(g) 分级多孔与各向同性三维网络结构纤维的导热机制示意图（分级结构通过隔离空气、抑制对流与传导实现超低导热）；(h) 单层气凝胶纤维的表面与热基板温度差对比（HANF-AF 的 ΔT / 厚度比值达 5.91 μm/K）；(i) 不同材料的导热系数 - 拉伸强度阿什比图（HANF-AF 处于性能最优区域）。

图5. HANF-AF 针织面料的隔热性能。(a) 面料结构设计、背心图案设计、工业针织、面料拼接、拉链缝制的规模化生产流程；(b) HANF-AF 针织面料的力学弹性与柔韧性（可 180° 扭转、50% 拉伸）；(c) 热人体模型穿着 HANF-AF 面料（左）与棉质面料（右）背心在 0℃环境箱中的表面温度（30 秒与 20 分钟时）；(d) HANF-AF、芳纶、丝绸、聚酯面料背心的实物图与红外热成像图；(e) HANF-AF 与棉质面料的表面温度随时间变化曲线；(f) 北京户外（-2.2℃）服装隔热性能测试装置；(g) 志愿者穿着拼接背心（HANF-AF 侧与棉质侧）的红外热成像图；(h) 户外测试中 HANF-AF 与棉质面料的表面温度变化曲线（ΔT 达 3.2℃）。