文献前沿丨Adv. Fiber Mater.：受蜥蜴鳞片启发的非对称太阳能约束织物，实现可扩展的双向热调节

近年来，基于光谱工程的热管理纺织品由于在热调节过程中的零能耗特性，在维持人体热舒适性方面发挥着重要作用。然而，目前开发出的各类制冷或者制热纺织品大多仅具备单一的温度调节模式，使得它们在应对动态变化的环境和气候时，无法发挥出相应的温度调节功能。为此，本文受蜥蜴鳞片角度依赖性的启发，开发出一种具有不对称太阳能约束性质的纺织品(asymmetric solar confinemen text, ASCT)。该纺织品是以聚乳酸(polylactic acid，PLA )为基底，通过静电植绒技术在基底一侧垂直植入尼龙纤维，构建仿生垂直阵列骨架，并采用喷涂技术在该骨架上依次负载PEI/TA复合层与MXene纳米片，形成具有高效光捕获能力的加热功能层；在织物另一侧，则通过喷涂经MTMS改性的二氧化钛纳米颗粒溶胶，构建具有高效光散射与高中红外发射特性的冷却功能层。所制备的ASCT表现出优异的光学性能：冷却侧具有95.1%的高太阳反射率和96%的高中红外(mid-infrared，MIR)发射率;而加热侧则具有的97%太阳吸收率和56%MIR发射率。实验结果表明，在阳光照射下，冷却侧覆盖的模拟皮肤温度较白色棉织物覆盖的情况低约4.5°C，而加热侧覆盖的模拟皮肤温度较黑色棉织物覆盖的情况高约12.8°C。在人体穿着实测中，加热侧与冷却侧温差可达 35.8°C；在建筑模型上，用加热侧和冷却侧覆盖的屋顶两面温差达 12°C。此外，ASCT兼具机械稳健性、透气性、柔软性与耐用性，非常适合应用于穿戴领域。该织物基于“零能耗翻转切换”的工作机制，结合成熟且可扩展的纺织制备工艺，为其从实验室走向实际应用与规模化生产奠定了坚实基础。相关工作以Lizard Scale-Inspired Asymmetric Solar-Confined Textiles Enabling Scalable Bi-directional Thermoregulation为题发表在Advanced Fiber Materials期刊。

本文受蜥蜴皮肤微观结构的启发，开发出一种具有不对称太阳能约束性质的纺织品（图1）。ASCT由两个功能侧组成，分别是高太阳约束(high solar confinement，HSC)侧和低太阳约束(low solar confinement，LSC)侧。LSC侧通过喷涂工艺在PLA背面负载经硅烷偶联剂改性的二氧化钛纳米颗粒，形成具有微纳米级粗糙度的高散射表面，实现高太阳反射和高中红外发射。HSC侧通过静电植绒在PLA表面垂直植入PA纤维，形成类似蜥蜴竖直鳞片的三维微柱阵列，并对阵列表面进一步修饰MXene纳米片，构成高效的光陷阱结构，实现太阳能的高效捕获与转化（图2）。得益于仿生设计和零能量非对称太阳能约束策略，研究人员制备的ASCT表现出优异的双向光谱特性：其冷却侧太阳反射率达95.1%、中红外发射率达96%；加热侧太阳吸收率达97%、中红外发射率为56%（图3）。基于其优异的光学性能，研究人员对其进行了热管理性能测试。测试结果表明，在阳光照射下，冷却侧覆盖的模拟皮肤温度较白色棉织物覆盖的情况低约4.5°C，而加热侧覆盖的模拟皮肤温度较黑色棉织物覆盖的情况高约12.8°C。在人体穿着实测中，加热侧与冷却侧温差可达 35.8°C；在建筑模型上，用加热侧和冷却侧覆盖的屋顶两面温差达 12°C（图4）。此外，ASCT织物兼具机械稳健性、透气性、柔软性与耐用性，非常适合应用于穿戴领域(图5)。该研究利用Janus光谱工程的零能耗特性实现高效热管理，为发展可靠的双模热调节技术与推动节能应用展现了巨大潜力。

图1. ASCT的概念与设计：(a)蜥蜴鳞片在炎热和寒冷环境中的热行为示意图。(b)在不同环境条件下鳞片对太阳光响应的调制原理。(c)理想纺织品的光谱调制特性。(d)受蜥蜴鳞片启发的纤维角度设计示意图，该设计将受高太阳辐射约束的垂直纤维侧（HSC）与受低太阳辐射约束的水平纤维侧（LSC）结合在一起。(e)结构不同的织物其理论净冷却功率和(f)理论净加热功率随温差变化的函数关系图，其中温差定义为Ts - Tamb。注：h代表非辐射传热系数（对流和热传导）。(g) ASCT在不同模式下测得的太阳反射率和中红外（MIR）发射率。(h) ASCT的实拍图。比例尺：0.5米。

图2. ASCT的制备：(a)采用静电植绒技术制备HSC侧的示意图。(b)采用喷涂技术制备LSC侧的示意图。(c)太阳能约束结构织物的结构和化学成分示意图。(d) HSC侧和(e) LSC侧的FTIR谱图。(f) LSC侧和(g) HSC侧的SEM图像及相应的EDS元素分布图。(h) LSC侧和HSC侧的X射线衍射图谱。

图3. ASCT的光学特性：(a) LSC侧的太阳反射率。(b) LSC侧处理前后的CIE 1931色度图。(c)不同直径的TiO₂纳米颗粒的模拟散射效率。(d)不同入射波长(300、500、1000和2000 nm)下，无微纳结构的PLA（左）和LSC侧（右）表面的散射电场分布。(e) HSC侧的太阳吸收率。(f)平面结构和(g) HSC结构的光反射与光强有限元分析。(h)在不同太阳辐照度下HSC侧的温度变化。(i)在不同太阳辐照度下HSC侧与LSC侧的稳态温差。(j) LSC侧、PLA和HSC侧的中红外（MIR）发射率对比。

图4. ASCT的热管理性能：(a)用于户外热测量的装置示意图和实拍图。(b) 2024年7月22日在中国上海对覆盖不同样品的模拟皮肤进行连续温度测量的结果。(c)棉织物和ASCT的热管理区间对比。不同非辐射传热系数下，ASCT的(d)理论净冷却功率和(e)理论净加热功率。(f)将ASCT应用屋顶上的场景示意图。(g)覆盖ASCT的房屋模型在阳光照射下的温度变化曲线。插图为覆盖ASCT的房屋模型实拍图，以及记录在不同光照时长模型房屋的的红外热成像图。(h)ASCT在人体上的应用示意图。(i)2024年8月11日，在成都（北纬30°37′51″，东经104°5′1″），身着ASCT背心的志愿者在阳光下暴露一小时，其背心的红外热成像图。比例尺为5厘米。(j)将不同模式的ASCT覆盖在皮肤上，并对阳光照射下的皮肤的温度进行追踪。

图5. ASCT的可穿戴性能：(a)应力-应变曲线。(b)透气性。(c)耐磨性。(d)织物表面的水接触角。(e)不同污染物液滴在LSC表面的状态。(f) LSC表面的自清洁性能。比例尺为5厘米。(g)不同摩擦次数和(h)不同洗涤周期对两侧光谱性能的影响。插图为水洗过程实拍图，比例尺为10厘米。(i)在多功能应用中不同织物的性能对比。PLA：未经处理的纯PLA织物黑色PA：商用黑色平纹PA织物。

小结：受蜥蜴鳞片角度依赖性太阳约束特性的启发，作者利用静电植绒和喷涂技术制备了一种具有不对称太阳能约束结构的双模热管理纺织品。值得注意的是，作者通过表面纳米涂层技术，实现了织物在中红外波段的Janus光谱特性，解决了传统织物无法改变其中红外发射率的技术难题。ASCT的LSC侧通过MTMS偶联剂将二氧化钛分子级附着于PLA纤维上，实现了95.1%的太阳反射率和96%的MIR发射率，与无微纳结构的织物相比，可减少高达70 W/m²的太阳热增益。当ASCT翻转时，HSC侧呈现出三维微阵列结构，其和在寒冷环境中蜥蜴张开的鳞片形态类似，可实现97%的太阳吸收率、56%的MIR发射率，并将加热功率提升170 W/m²。此外，在建筑场景中LSC 侧与 HSC侧的温差达 12℃，人体应用中两侧温差高达 35.8℃。可见，ASCT 为建筑和人体提供了广阔的热管理区间。更重要的是，ASCT具有机械稳健性、透气性、柔软性和耐久性，是可穿戴应用的理想选择。该设计利用了Janus光谱工程的零能耗优势进行热管理，为实现可靠的双模式热调节提供了巨大潜力。

论文信息：LI X, GUO Z, JI Y, et al. Lizard Scale-Inspired Asymmetric Solar-Confined Textiles Enabling Scalable Bi-directional Thermoregulation[J]. Advanced Fiber Materials, 2025. https://doi.org/10.1007/s42765-025-00655-1.

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