天津大学封伟教授团队 Adv. Mater.：受盐碱地植物“泌盐术”启发 → 分子太阳能光热织物实现力-光热协同飞跃

当零下 20 ℃的严寒袭来，一件织物能在50 秒内快速升温21.2℃；反复洗涤、拉伸或者摩擦后，光热效率仍保持稳定；甚至可精准调控热量输出，适配日常保暖与局部光热理疗——天津大学封伟教授领导的FOCC团队从盐碱地植物-中亚滨藜的生存智慧中汲取灵感，研发的新型分子太阳能热（MOST）织物（SPMFS），一举破解该领域长期存在的“力学及光热性能妥协”难题。相关成果以“Bioinspired Swelling-Deswelling Strategy Unlocks Synergistic Molecular Solar Thermal-Fabric Systems” 为题，发表于材料顶刊《Advanced Materials》，为可穿戴个人热管理（PTM）技术开辟新路径。论文第一作者为天津大学材料学院博士研究生王硕，论文通讯作者为天津大学材料学院封伟教授。

一、仿生灵感溯源：盐碱地植物的“溶胀-去溶胀”智慧，破解 MOST 织物三大痛点

MOST 织物因兼具MOST 分子的高效光热性能与织物的柔性透气性，成为PTM 领域的研究热点，但实际应用中仍受三大核心问题制约：①MOST 分子在织物中分布不均，工业化制备精度与产量不足；②分子与基材相容性差，导致力学稳定性和光热效率存在下降风险；③MOST分子易泄漏，缺乏长期耐久性。而生长在盐碱区的中亚滨藜（Atriplex centralasiatica），其独特的“吸盐-泌盐”机制为解决这些问题提供了关键启发。如图 1a 所示，该植物通过表皮囊泡细胞的“溶胀-去溶胀”过程，实现盐分的吸收和泌出，既维持自身稳态，又形成防护层。这一“溶剂介导-溶质输运-可控结晶”的独特现象，成为团队设计制备策略的核心蓝本。基于此，团队以同轴湿法纺丝制备的热塑性聚氨酯（TPU）中空气凝胶纤维（HAFs），开发仿生溶胀-去溶胀策略，实现偶氮苯（Azo-C6）的高效吸收及析出，在纤维表面构建了3-5 μm 厚的均匀Azo-C6单晶层。这一策略不仅解决了 MOST 分子分布不均的问题，更通过“结构重构-界面键合”实现力学性能与光热性能的协同增强，最终力学-光热性能兼备的高效个人热管理织物。

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。

二、多尺度解析溶胀- 溶胀动态过程：

1. 溶胀过程：多孔结构促进的三阶段溶胀动力学

   为优化制备工艺，团队对 HAFs 的溶胀-去溶胀过程进行了多尺度机制分析，揭示了其动态变化规律。如图 2 所示，HAFs 的高孔隙率为溶剂渗透与溶质吸收提供了高效通道，其溶胀过程可明确分为3个阶段：快速渗透期（0-5 s：受毛细作用与浓度梯度驱动，氯仿溶液快速渗入 HAFs 多孔结构，纤维体积溶胀率迅速升至185%（图2d）；动态平衡期（5-40 s）：氯仿持续破坏TPU 分子间氢键，使分子链间隙进一步扩大，体积溶胀率升至236%，此阶段Azo-C6 分子大量进入纤维内部；饱和稳定期（40-60 s）：TPU 分子链溶胀达到极限，纤维体积仅发生极缓慢变化，溶胀过程趋于稳定。

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

2. 去溶胀过程：动态氢键重组及偶氮苯单晶的析出

   如图 3 所示，随着溶剂挥发，HAFs 体积逐渐收缩，表面张力进一步压缩孔隙结构，TPU 分子链重新排列并形成致密网络，最终纤维体积去溶胀率达 85.01%，结构致密性显著提升。更重要的是，去溶胀过程中 Azo-C6 分子在 HAFs 粗糙表面发生非均匀成核，最终形成 3-5 μm 厚的致密单晶层（无团聚）。小角 X 射线散射（SAXS）与广角 X 射线散射（WAXS）结果进一步证实，去溶胀后 TPU 分子链排列更规整，Azo-C6 单晶层结晶度高，为光热性能提升奠定结构基础。

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

三、偶氮苯负载的动态调控

   团队通过调控溶胀时长与溶液浓度，实现了 Azo-C6 负载的精准控制。研究发现纤维表面在溶胀后形成褶皱结构，且粗糙度在40 s溶胀时间后达到峰值，这为 Azo-C6 结晶提供了充足位点，负载量趋于饱和，达0.22 mg/mg。同时研究了Azo-C6溶液浓度对负载的影响，发现Azo-C6/ 氯仿溶液浓度从10 mg/mL 增至60 mg/mL时，PTAFs的Azo-C6负载量从0.12 mg/mg增至0.56 mg/mg，浓度40 mg/mL 时，能量密度达峰值7.5 kJ/m²，且分布均匀；浓度超过40 mg/mL 后，Azo-C6 开始发生团聚。

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

四、力学-光热协同增强机制

   如图 5a、b 所示，FTIR 测试揭示了Azo-C6 作为“动态交联点”限制 TPU 分子链运动，增强了TPU分子链间作用力，同时表面单晶层能分散微裂纹、缓解应力集中，从而实现了力学性能的提升。PTAF_T40（溶胀40 s纤维）的断裂应变达 690%，较原始HAFs（466%）提升48%；拉伸强度达18.3 MPa，较HAFs（7.99 MPa）提升129%。图5d 进一步对比了 HAFs与PTAF_T40在不同环境温度下的应力 - 应变曲线，发现PTAF_T40在- 20 ℃至40 ℃范围内均保持良好机械性能，满足日常穿戴需求。均匀分布的 Azo-C6 单晶层是光热性能提升的关键。如图5e 所示，传统 MOST 织物中Azo-C6 易团聚，导致光能利用率低；而PTAFs中Azo-C6均匀单晶层实现全域光能捕获，大幅提升光异构化效率。PTAF_T40的E→Z异构化率达94.87%，且Z→E逆异构化速率大幅提升。

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（PTAF_T40）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 PTAF_T40 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) PTAF_T40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（PTAF_C20）与Azo-C6粉末在 420 nm光（40 mW/cm²）照射下的动力学分析

五、SPMFS 的个人热管理应用

   团队针对 SPMFS 的个人热管理能力进行了多场景测试，证实其实际应用价值。如图6a 所示，SPMFS在70内秒升温25.5℃，升温速率远高于原始HAFs织物（2.2℃，11.6 倍）。团队模拟 – 20 ℃严寒环境，以 80 mW/cm² 模拟日光照射SPMFS，在50秒内快速升温21.2℃，证明其在低温环境下的高效光热性能。团队制备了 30 cm×12 cm 的大尺寸SPMFS，在穿戴测试中均表现出优异的个人热管理性能。

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) SPMFS_C20在假人穿戴后的户外光热测试；c) 模拟寒冷穿戴条件下，SPMFS_C20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) SPMFS_C20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