武汉纺织大学AM：仿生Janus织物，兼具被动日间辐射冷却与能量转换的可穿戴智能纺织品

随着下一代便携式和可穿戴电子设备的发展，集成传感器需要兼具高韧性、高灵敏度以及高效的热管理能力，这对可穿戴系统的自适应热舒适调节提出了更高要求。传统的冷却方法主要消耗大量能源，难以应用于小型、轻量化和柔性设备中。因此，兼具柔顺性和稳定性的被动日间辐射冷却织物已成为平衡智能微电子器件灵活性与高效散热的理想解决方案。近年来，通过将柔性纺织品与涂层、冷却膜或新型热调节材料相结合，研究者们在提升太阳光谱波段反射率和大气窗口发射率方面取得了显著进展。然而，传统表面涂层技术面临诸多局限：液体基涂层易流动导致稳定性差，固体基涂层难以紧密附着在不规则曲面或脆弱组织上。此外，现有传感器集成织物普遍存在透气性差、脆性大和热脆弱性等问题，严重限制了其大规模应用。

受冰植物表皮气泡状细胞结构的启发，武汉纺织大学殷先泽教授、杨诗文副教授、李泽豪博士研究团队开发出一种超轻质Janus织物，以聚电解质膜为关键组分——其固有的高稳定性、优异的离子电导率和良好的相容性赋予该织物卓越的结构灵活性和功能协同性。该设计集成了被动日间辐射冷却和传感功能，同时保持了透气性和定向水分传输能力。值得注意的是，这种聚电解质膜增强型织物在1个太阳强度下实现了9.86°C的亚环境冷却（净冷却功率为101 W m⁻²）、100%准确的动作监测以及稳定的摩擦电输出（在10 N恒定力下稳定输出10 V），同时还具有卓越的耐久性（1000次折叠循环）、可回收性和抗菌活性。相关论文以“Biomimetic Janus Fabric with Ice Plant Bubble-Like Cell Structure for Passive Daytime Radiative Cooling and Energy Conversion for Wearable Applications”为题，发表在Advanced Materials上。

冰植物气泡状细胞结构的仿生设计原理

冰植物的叶和茎表面具有由气泡状细胞组成的独特涂层结构（图1a）。在强烈阳光下，该涂层层反射和折射阳光，同时气泡状细胞中的大液泡能有效二次反射和散射阳光。由于气泡状细胞系统与截留空气界面之间的高折射率对比，该系统表现出显著的反向散射效应，从而极大地增强了光学散射效率。受这一自然适应现象的启发，研究团队通过室温低压喷涂方法，将壳聚糖聚电解质溶液与Al₂O₃纳米颗粒混合后喷涂到聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物-醋酸纤维素纤维上，随后在60-70°C下干燥脱水，引发聚电解质自交联反应，诱导液-固相转变，在PC表面形成坚韧稳定的聚电解质膜（图1b）。所制备的PCCA Janus织物采用双层纤维结构，无缝集成了辐射冷却、运动监测功能和纺织品级舒适性（图1c）。通过调整Al₂O₃纳米颗粒含量进行系统研究，发现当填充量约为10%时，反射率达到最佳性能，超过92%（图1d）。修正的Maxwell-Garnett有效介质理论模型预测，在体积分数与观察到的10%最佳值一致时，有效介电响应最大，证实光学性能受孤立纳米颗粒共振与颗粒间耦合相互作用控制（图1e）。该织物实现了9.86°C的冷却效果，优于大多数先前报道的材料（图1f），并且成功制造了10 m × 1 m尺寸的大面积PCCA织物，展现出显著的工业可行性（图1g）。

图1 | PDRCF的仿生结构设计与制备 (a) 冰植物的光学照片及其气泡状细胞结构示意图。(b) PCCA Janus织物的制备流程示意图。(c) PCCA Janus织物三层结构的SEM截面图像及功能化壳聚糖聚电解质涂覆的单纤维。(d) 揭示最优太阳反射率的核壳结构光谱。(e) 修正的MG有效介质理论的ε_eff变化曲线。(f) 本工作实现的反射率、发射率和冷却性能与现有辐射冷却研究文献的对比图。(g) 大尺寸PCCA Janus织物的光学照片。

聚电解质膜涂层的形成特性与光学性能

研究团队采用室温低压喷涂方法，将CSFs涂覆在纤维膜表面，并结合低温（60°C）空气干燥策略形成聚电解质膜涂层。扫描电镜图像显示，PC电纺纤维呈现交替堆叠结构，形成孔径不均匀的多孔纤维膜；在PCC织物中，聚电解质涂层均匀覆盖纤维，形成连续光滑的界面（图2a,b）。值得注意的是，经过聚电解质涂层处理后，PCC织物仍保留了许多孔隙，这对改善外向透气性和界面热阻至关重要。更重要的是，在壳聚糖聚电解质溶液脱水后发生自热交联，使氧化铝颗粒均匀分散并固定在纤维膜上，同时减少了纳米颗粒的脱落（图2b-iv）。流变学测试表明，随着温度升高，壳聚糖聚电解质膜分子间的水分逐渐蒸发，储能模量开始超过损耗模量，表现出类固体性质。Zeta电位测试显示，CSFs@Al₂O₃的绝对值约为45 mV，表明溶液稳定性良好。分子动力学模拟进一步揭示了CSFs、CA以及CSFs/CA体系中的相互作用机制（图2e-g）。随着Al₂O₃含量的增加，太阳反射率先升高后降低，在10%含量时达到峰值，冷却效果约为9.86°C。

图2 | PCCA Janus织物涂层形成机理、结构特性及分子模拟的综合表征 (a) CSFs在PC织物上的成膜机制及CSFs对Al₂O₃纳米颗粒的分散机制。(b) PC、PCC、PCA和PCCA Janus织物的扫描电镜图像。(c) PC、PCC和PCCA Janus织物的太阳反射率和中红外发射率变化曲线。(d) PCCA Janus织物的净冷却功率图。(e、f、g) CSFs、CA及CSFs/CA体系的分子动力学模拟图。

力学性能与可穿戴特性评估

应力-应变曲线测试结果显示，PC纤维膜的平均杨氏模量、断裂强度和断裂伸长率分别为3.51 MPa、0.41 MPa和20.4%。喷涂CSFs后，PCC和PCCA织物的模量分别提高到5.82 MPa和6.86 MPa，断裂强度分别提高到2.10 MPa和2.32 MPa，断裂伸长率分别提高到74.3%和86.4%。CSFs涂层限制了纤维的过度滑动，促进了应力的均匀传递，减少了局部应力集中，从而显著提高了织物的韧性。水蒸气透过率实验表明，尽管CSFs成膜可能部分减小PC织物的孔径，但CSFs表面丰富的-NH₂和-OH基团能快速吸附水蒸气并将其传导至织物表面蒸发，从而大大减少了对水蒸气透过性能的影响。原子力显微镜图像显示，在PC表面喷涂CSFs后，表面沟槽被填充，表现出优异的平面平整度。织物柔软性、可折叠性和轻质特性测试中，PCCA织物经历了拉伸、扭转、缠绕和折叠测试均未发生损坏（图3f）。更重要的是，PCCA Janus织物具有良好的可回收性和再利用性——在水中浸泡60分钟后，聚电解质重新分散在水中，收集后再次喷涂可获得回收的PCCA Janus织物，仍表现出9.2°C的冷却效果。长期稳定性测试表明，经过100小时紫外光照射后，织物仍表现出9.17°C的冷却效果，性能几乎没有下降。

图3 | PDRCF的可穿戴性能研究 (a-c) PCCA Janus织物的单向水分传输机制示意图及染料液滴在PCCA Janus织物两侧实现单向传输的光学照片。(d) PCCA Janus织物上侧和下侧的水扩散性。(e) PCCA Janus织物的透气性。(f) PCCA Janus织物的拉伸、扭转、弯曲、折叠和轻质特性的光学照片。

被动日间辐射冷却性能的综合评估

醋酸纤维素纤维和PVDF-HFP纤维相互交织缠绕形成纤维膜，自热交联后的壳聚糖聚电解质紧密粘附在纤维膜表面并渗透到其内部，通过氢键相互作用和物理封装维持PCCA Janus织物的结构完整性并增强辐射冷却性能。在手臂内侧覆盖PC、PCC和PCCA Janus织物进行阳光照射10分钟后，PCCA织物对应的温度降至30.3°C，展现出优异的辐射冷却性能（图4b）。Comsol软件模拟结果显示，从右下角到左上角温度逐渐降低，在PCCA Janus织物的最左上角下降约7.6°C，等温线从密集过渡到稀疏（图4c）。这是由于兼具柔顺性和稳定性的聚电解质膜在相变过程中保留了PCCA Janus织物中的许多孔隙，有效降低了热传递性能。热导率测试表明，PCCA Janus织物的热导率为3.2×10⁻² W/(m·K)，低于PCC织物的3.72×10⁻² W/(m·K)，有助于抑制太阳辐射热向人体皮肤的传递。在实际场景测试中，PCCA Janus织物的温度显著降至25.9°C，比棉织物低约5.6°C（图4d）。在真实汽车测试中，覆盖PCCA Janus织物的区域温度降至42.6°C，远低于未覆盖区域的64.3°C（图4f）；覆盖半小时后，汽车内部温度稳定在26.9°C，不仅能有效维持人体舒适温度，还能减少汽车空调制冷能耗（图4g）。

图4 | PCCA Janus织物热管理性能的综合展示——从相互作用机制和模拟验证到个人穿戴及汽车应用场景 (a) 各组分之间相互作用的示意图。(b) 氙灯照射下PC、PCC和PCCA Janus织物覆盖手臂表面的红外热像图。(c) PCCA Janus织物的平面热传导模拟结果。(d) 棉织物和PCCA Janus织物覆盖自制装置表面的光学照片及相应红外热像图（湖北省武汉市，北纬30°22'53"，东经114°20'3"；2025年4月17-19日）。(e) 自制被动辐射冷却装置的示意图及数码照片。(f) PCCA Janus织物覆盖真实汽车天窗表面的光学照片和红外热像图。(g) 2024年汽车天窗有无PCCA Janus织物覆盖时车内温度变化曲线。

人体运动监测性能的评估

研究团队将PCCA Janus织物应用于基于微接触分离摩擦电技术的人体运动监测。在10 N恒定力和3.3 Hz工作频率条件下，PCCA织物TENG的输出电压稳定在约10 V，输出电流约60 nA，输出电荷可达约4 nC。聚电解质膜具有提高导电性和抑制电荷扩散的效果。基于国际通用的摩尔斯电码，通过对PCCA织物TENG的敲击时间长短来表示点和划，解码后的电信号呈现文本"HELPSOS"，表明该织物可有效实现自供电摩尔斯电码的传输和解码（图5b）。将TENG缝制到鞋垫中监测行走、跑步和跳跃三种日常运动，行走信号呈现中频低幅特征，跑步信号呈现高频中幅特征，跳跃信号呈现低频高幅特征（图5c）。将PCCA织物TENG附着在指关节、肘部和膝盖上，通过可视化的电信号监测各关节的弯曲运动。基于支持向量机的机器学习方法对六种运动进行预测，训练集和测试集的准确率均达到100%。

图5 | PDRCF的传感性能研究 (a) PCCA TENG的传感工作原理示意图。(b) 基于PCCA TENG的摩尔斯电码求救信号输出图。(c) PCCA TENG缝入鞋垫时对人体行走、跑步和跳跃动作的实时监测信号。

综合性能评价与节能潜力分析

从太阳反射率、净冷却功率、辐射制冷和输出电流等多个方面进行性能对比，PCCA织物展现出优异的综合性能（图6a）。此外，PCCA织物表现出高达99.9%的优异抗菌性能，这对健康可穿戴应用至关重要（图6b）。在实际环境中对膝关节覆盖PCCA织物TENG进行集成辐射冷却和传感性能测试，结果显示阳光照射后设备覆盖的腿部区域温度降至33.6°C，同时设备保持稳定的人体运动监测性能（图6c）。在监测人体运动的同时，PCCA织物TENG还能有效发出光信号，为高温环境下的户外工作人员的生命健康提供额外保障（图6d）。将二氧化硅、二氧化钛和相变胶囊分别混入聚电解质溶液中，所有颗粒均能均匀分散无团聚，证实了聚电解质溶液具有良好的普适性。全国范围内汽车燃油节约模拟计算结果显示，PCCA Janus织物作为车顶覆盖材料具有显著的节能潜力（图6e,f）。

图6 | PCCA织物的综合性能和能效评估 (a) PC、PCC和PCCA Janus织物多项性能对比的雷达图。(b) PC和PCCA Janus织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果图。(c) PCCA TENG覆盖膝盖表面的光学照片和红外热像图。(d) 敲击PCCA TENG前后发光二极管的光学照片。(e) 2024年全国各省份汽车无PCCA Janus织物时的燃油消耗模拟统计图（单位：万吨），以及2024年全国各省份汽车使用PCCA Janus织物后的燃油节省模拟统计图（单位：万吨）。(f) 2024年中国各省份应用PCCA材料前后汽车燃油消耗与节省量的模拟统计柱状图（单位：万吨）。

总结与展望

本研究开发的仿生Janus织物成功突破了单一功能辐射冷却材料的性能限制，通过结构创新实现了被动日间辐射冷却与高精度传感功能的协同集成。该织物在辐射冷却性能（9.86°C亚环境冷却）、传感精度（100%动作识别）、耐久性（1000次折叠循环）、抗菌活性（99.9%）、可回收性以及透气透湿等方面均表现出优异特性。值得注意的是，该策略还可有效扩展至其他无机颗粒体系（如SiO₂、氮化硼），在可穿戴电子设备、柔性机器人和智能传感系统中具有广阔的应用前景。这项研究不仅为个人热管理提供了一种高效、舒适的解决方案，也为未来智能纺织品的多功能集成设计提供了重要的理论指导和实践参考。