湖北大学郭志光、裴颗AFM：仿生超疏水智能纺织品问世，多功能集成实现技术突破

近年来，随着可穿戴技术、环境修复和生物医学应用的不断发展，将先进功能材料与纺织品结合已成为研究热点。纺织品作为人与环境之间的 ubiquitous 界面，具备柔韧性、透气性和可扩展性，是理想的新型智能系统基底。然而，传统纺织品缺乏自清洁、抗冰、抗菌和环境耐受等多功能性能。金属有机框架（MOF）因其可调控的化学功能和高比表面积被视为功能化纺织品的潜力材料，但现有MOF-纺织品复合材料在可扩展性、环境稳定性和多功能集成方面仍面临重大挑战。

湖北大学郭志光教授、裴颗副研究员和香港中文大学Zhou Zhiwen、武汉纺织大学姜会钰教授合作，通过仿生原位自组装技术，成功开发出一种机械强度高、超疏水的AgTCNQ-MOF混合织物。该织物模仿仙人掌刺结构，实现了159.2°的水接触角和1.8°的滑动角，具备多项先进功能：超高油水分离效率（98.4%）与通量（18.0 kL·m⁻²·h⁻¹）、抗冰性能（冻结起始时间从105秒延长至685秒）、全谱紫外线防护（UVA：2.5%，UVB：2.7%）与99.8%的抗菌效率、自清洁能力以及优异的机械柔韧性（6000次弯曲循环）和光热转换效率（91.5%）。其超小带隙（0.47 eV）工程和共价界面锚定策略确保了材料在30次磨损或200小时紫外照射后仍保持超疏水性，展现出在医疗穿戴、工业过滤和自适应机器人等领域的广泛应用前景。相关论文以“ Bioinspired Ultrasmall-Bandgap MOF-Integrated Superhydrophobic Textiles via In Situ Self-Assembly: Enabling Next-Generation Multifunctional Smart Textiles”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队通过图1展示了该多功能MOF织物的概念设计与制备流程。图中示意了超小带隙AgTCNQ-MOF在织物表面的原位生长过程，以及其如何通过热振动机制实现光热转换，进而支持油水分离、抗冰、抗菌和自清洁等多功能集成。制备过程包括织物的敏化活化、银纳米颗粒的沉积以及AgTCNQ微针结构的原位生长，形成具有分级粗糙度的超疏水表面。

图1. a) MOF织物的概念设计与多功能柔性特性示意图。b) MOF织物制备流程示意图。

图2通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等多技术手段，全面表征了MOF织物的形貌与化学组成。SEM图像显示银纳米颗粒均匀分布在织物表面，AgTCNQ微针结构直径约160–250 nm，长度25–29 μm，EDS图谱证实了Ag、C、N元素的均匀分布，XPS和FTIR结果验证了Ag⁺与TCNQ的成功配位，XRD和拉曼光谱进一步证实了晶体结构和电荷转移，表明无需氟化试剂即可实现本征超疏水。

图2. MOF织物的形貌与化学成分表征。a) Ag织物的SEM图像。b) 具有针状纳米结构的MOF织物SEM图像。c) MOF织物表面的EDS mapping，显示Ag、C、N元素的均匀分布。d) XPS结果。e) FTIR结果。f) XRD结果。g) 拉曼光谱结果。

图3系统研究了织物在不同硝酸银和TCNQ浓度下的润湿性变化，优化后获得159.2°的接触角和1.8°的滑动角。动态水滴撞击实验表明，液滴在18毫秒内完全反弹，显示出极低的接触角滞后和优异的抗冰潜力。该织物还表现出卓越的机械稳定性（720°扭转、50次喷砂循环）、环境耐久性（3个月暴露后仍保持超疏水）以及在酸性和中性环境中的稳定性，但在碱性或高盐环境中性能有所下降。

图3. MOF织物的润湿性能、机械、物理化学和环境稳定性。a) 不同硝酸银浓度下的接触角。b) 不同TCNQ浓度下的接触角。c) 最优条件下织物、Ag织物和MOF织物的接触角总结。d) 样品的光学图像，插图为液滴接触角。e) 液滴撞击Ag织物和MOF织物表面的动态过程。f) 720°扭转后的机械稳定性。g) 50次喷砂循环测试。h) 3个月环境暴露后的稳定性。

图4展示了MOF织物的自清洁和防污性能。其分级微纳结构和非粘附表面能有效排斥有机染料、胶体悬浮液、色素饮料和生物流体，实现全面防污。空气垫层的稳定存在进一步保障了液体浸泡下的光学完整性和美观一致性。

图4. 自清洁与防污性能。a) 自清洁过程示意图。b) 水浸后表面空气层的光学图像。c) 原始织物与MOF织物的防湿性能。d) 对泥水、橙汁、牛奶和咖啡的防污表现。

图5记录了MOF织物在油水分离中的出色表现。其超疏水-超亲油特性使得多种油类（正己烷、正辛烷、甲苯、氯苯）能快速通过织物，而水被完全阻隔。分离效率超过98.4%，通量达18 kL·m⁻²·h⁻¹，且在20次循环后仍保持高效。其分离机制结合了Laplace压力梯度、分子间作用力（配位键、范德华力、π-π堆叠）和分级孔结构导向的输运路径。

图5. MOF织物的油水分离性能。a) 分离过程照片与物理机制。b–d) 化学与物理分离机制。e,f) 分离效率与可重复使用性评估。g) 正己烷从水中去除的过程图像。

图6研究了织物在低温高湿环境下的抗冰性能。在不同温度（-10, -20, -30°C）和湿度（40%, 80% RH）条件下，MOF织物显著延迟了冰核形成时间，并降低了冰附着强度。经过15次冻融循环，其性能保持率超过80%，展现出在极地环境中的潜在应用价值。

图6. 抗冰性能。a) 延迟结冰机制与气候箱装置示意图。b) 液滴在-20°C、40% RH下结冰过程图像。c) 结冰延迟时间总结。d) 冰附着强度对比。e) 15次冻融循环中延迟时间的变化。f) 液滴从Cassie-Baxter态向Wenzel态转变示意图。

图7评估了织物的抗菌性能。通过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制圈试验、平板计数和光密度测定，MOF织物表现出99.99%和99.89%的抗菌效率，显著优于原始织物和银织物，其抗菌机制结合了离子释放和接触杀菌双重作用。

图7. 抗菌性能。a) Ag织物和MOF织物的抗菌机制示意图。b) 抑菌圈结果。c) 琼脂平板照片。d,e) 抗菌效率与光密度值。

图8展示了织物的光热性能。AgTCNQ的超小带隙（0.47 eV）实现了96.3%的广谱太阳光吸收和91.5%的光热转换效率。在光照下，织物表面温度迅速上升至80.8°C，能在372秒内完全融化冰滴，并在原油吸附中表现出高吸附容量（4.65 g·g⁻¹）和快速吸附速率（2.21 g·min⁻¹）。

图8. 光热性能。a) AgTCNQ的光学带隙。b) 太阳光谱吸收率。c) 光照下表面温度变化。d) 红外热成像。e) 冰滴融化过程图像。f) 融化时间总结。g) 无光照下的原油吸附。h) 光照下的吸附速率与效率。i) 光照下的吸附行为。

图9验证了织物在6000次弯曲循环后的机械柔韧性与功能保持性。接触角、油水分离效率、抗冰时间和抗菌性能均保持在90%以上，显示出其在动态应用环境中的优异耐久性。

图9. 机械柔韧性性能。a) 自动弯曲装置照片。b) 3.5 mm弯曲半径特写。c) 6000次弯曲后接触角变化。d) 油水分离通量与效率。e) 3000次弯曲后的抗冰时间。f) 弯曲后的抗菌效率。

总结而言，这项研究通过仿生设计、原位自组装和超小带隙工程，成功将多功能性能集成于单一纺织品平台，实现了超疏水、抗冰、抗菌、光热转换和油水分离的高度协同。该技术不仅解决了传统MOF-纺织品在稳定性、可扩展性和多功能集成方面的瓶颈，还为下一代智能纺织品在极端环境下的实际应用提供了可行路径。未来，研究团队将进一步推进其中试放大和成本优化，推动其在医疗防护、环境工程和自适应可穿戴设备中的广泛应用。

来源：高分子科学前沿

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