清华大学/东北林业大学合作，最新Nature大子刊：全丝纳米织物，让皮肤直降4.3°C

炎热天气正变得越来越频繁，人们对于降温服装的需求也日益增长。近年来，能够通过“辐射制冷”主动反射太阳热量的降温纺织品受到广泛关注。然而，目前大多数高性能冷却织物依赖聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等石油基聚合物以及二氧化钛、氧化铝等无机纳米颗粒来实现降温效果。这些材料在使用和洗涤过程中可能释放微塑料和纳米颗粒，不仅增加环境负担，也可能带来潜在健康风险。因此，如何开发兼具高效降温性能与环境友好特性的可持续冷却织物，成为该领域亟待解决的重要挑战。

今日，清华大学张莹莹教授团队联合东北林业大学陈文帅教授提出一种完全由蚕丝构成的新型纳米纺织品（SilkNT）。研究团队通过费马螺旋缠绕技术，将丝素纳米纤维包覆在传统蚕丝纱线上，构建出独特的微纳层级结构。该材料无需任何塑料或纳米颗粒添加剂，即可实现94.8%的太阳光反射率和96.3%的红外发射率。在实际穿戴测试中，其皮肤温度相比普通真丝面料降低约4.3℃。更重要的是，该织物同时具备优异的生物相容性、可降解性和可回收性，为绿色可持续个人热管理提供了全新的解决方案。相关成果以“Sustainable all-silk textiles for personal thermal management”为题发表在《Nature Sustainability》上，Xun-En Wu, Yida Wang为共同第一作者。

从一根蚕丝出发：构建天然冷却织物

研究的核心思路如图1a所示。天然蚕丝虽然具有良好的舒适性和生物降解性，但其纤维直径通常约为10 μm，与太阳光波长并不匹配，因此散射太阳光的能力有限，难以实现高效辐射制冷。为了解决这一问题，研究团队首先制备出直径仅数百纳米的再生丝素纳米纤维，然后利用费马螺旋缠绕技术将这些纳米纤维均匀包覆在传统蚕丝纱线表面，形成“核—壳”结构的蚕丝纳米纱线（SilkNY）。进一步织造成织物后，获得具有微米纱线与纳米纤维协同作用的层级结构冷却织物SilkNT（图1a）。丝素本身在太阳光波段几乎没有吸收，同时具有较高折射率（图1b），这意味着其天然具备增强光反射的潜力。一个有趣的发现来自丝素自身的荧光特性。研究发现，丝素能够将部分紫外光转化为可见光重新发射（图1c、d），从而减少紫外光吸收带来的热量积累。这种天然“光子转换”机制进一步增强了材料的降温能力。为了获得最佳太阳光散射效果，研究团队还通过电磁场模拟研究了不同尺寸纳米纤维的光散射行为（图1e、f）。结果显示，当纳米纤维尺寸接近太阳光波长时，散射效率最高。最终优化得到平均直径约457 nm的纳米纤维网络（图1g），能够在整个太阳光谱范围内产生强烈散射效应（图1h）。得益于这种精巧设计，SilkNT实现了94.8%的太阳反射率和96.3%的红外发射率（图1i），远超普通真丝织物65.5%的反射率，同时将紫外吸收率从43.6%降至仅8.19%。

图1：费马螺旋缠绕构筑全蚕丝纳米织物SilkNT，并揭示其高太阳反射、高红外辐射和低紫外吸收的光学机制。

阳光下真的更凉快吗？

高反射、高辐射是否能转化为实际降温效果？研究团队搭建了模拟皮肤测试平台进行验证（图2a、b）。首先，在没有额外加热的情况下，研究人员将织物覆盖在模拟皮肤表面，并放置于室外阳光环境中。结果显示，在中午强太阳辐射条件下，覆盖SilkNT的模拟皮肤温度始终低于环境温度约2.9℃，实现了真正意义上的亚环境温度冷却（图2c、d）。相比之下，普通真丝覆盖时温度反而高于环境温度约5.1℃。为了更加接近真实人体发热状态，研究人员进一步给模拟皮肤施加100 W m⁻²的持续热流输入（图2e）。测试结果令人印象深刻：与普通真丝、醋酸纤维和棉织物相比，SilkNT分别实现了8.3℃、9.0℃和8.0℃的额外降温效果；相对于裸露皮肤，温度降低幅度更达到18.4℃（图2f）。理论计算进一步证明了其优势（图2g、h）。在维持人体舒适皮肤温度34℃时，SilkNT几乎不需要额外冷却能量输入，而普通真丝和醋酸纤维则需要额外制冷功率来保持舒适状态。

图2：室外模拟皮肤测试表明SilkNT具有优异的日间辐射制冷性能，可显著降低表面温度。

不只是凉快，更要穿得舒服

对于实际服装应用而言，仅有降温性能远远不够，舒适性和耐久性同样重要。研究发现，费马螺旋缠绕工艺并未削弱蚕丝原有的机械性能，SilkNT依然保持较高的强度和延展性（图3a）。同时，由于蚕丝本身具有亲水特性，织物表现出良好的吸湿和导湿能力（图3b），提高穿着舒适度。洗涤稳定性测试同样令人满意。经过一次标准洗涤后，SilkNT几乎保持100%的太阳反射能力；即使连续洗涤5小时，仍能维持95%以上的反射性能。生物安全性方面，研究团队将SilkNT与传统纳米颗粒增强冷却织物进行比较。细胞培养结果显示，SilkNT不会引起细胞毒性（图3c、d），细胞数量随培养时间不断增加，而纳米颗粒改性织物则表现出明显的不利影响。最具说服力的是人体穿戴实验。研究人员将SilkNT嵌入普通真丝T恤中，让志愿者在阳光下静卧1小时（图3e）。监测结果显示，SilkNT区域对应皮肤温度比普通真丝区域低约4.3℃。红外热成像测试也观察到超过1.3℃的表面温差（图3f），证明其在真实环境下同样具有显著降温效果。此外，团队还建立城市环境热交换模型（图3g-i），分析建筑物和地面对冷却性能的影响。结果表明，即使在夏季强烈阳光和城市热岛效应条件下，SilkNT仍能保持可观的净辐射冷却能力，展现出广阔的实际应用前景。

图3：展示SilkNT的机械性能、透湿导汗能力、生物相容性以及人体实际穿戴降温效果。

从源头到终点：真正绿色的冷却织物

相比现有冷却织物最大的优势之一，在于SilkNT完全由蚕丝构成。生物降解实验显示，在酶降解环境中，SilkNT会逐渐分解（图4a）。经过365天后，样品质量损失约33%，纳米纤维结构基本消失（图4b）。在土壤环境中，其降解速度也明显快于PVDF-HFP、聚乙烯、聚四氟乙烯和尼龙等常见聚合物材料。除了可降解之外，SilkNT还能够高效回收利用。研究人员通过传统丝素回收工艺即可重新获得丝素原料，并再次制备成新的冷却织物（图4c），整体回收率高达95%。即便降解过程中产生微纳尺寸碎片，其生物安全性依然得到验证。细胞实验显示，这些碎片不会对细胞生长产生明显影响（图4d、e）。最后，研究团队采用生命周期评价（LCA）方法，对SilkNT与现有纳米颗粒增强冷却织物进行了全面比较（图4f）。结果表明，在气候变化、人类毒性、生态毒性、资源消耗等多个指标上，SilkNT均表现出更低的环境负荷。其中在人类健康影响方面优势尤为突出。这主要归功于其不含塑料和无机纳米颗粒，从生产到废弃全过程都更加环保。

图4：证明SilkNT具有良好的生物降解性、可回收性和生命周期环境优势，实现真正可持续的个人热管理。

总结与展望

这项研究提出了一种全新的“全蚕丝”辐射制冷织物设计理念。通过费马螺旋缠绕构筑层级微纳结构，研究团队成功实现了无需塑料和纳米颗粒辅助的高性能被动降温织物。SilkNT不仅具备94.8%的太阳反射率和优异的人体降温效果，同时兼具舒适性、生物相容性、可降解性和可回收性，解决了传统冷却织物面临的微塑料污染和纳米颗粒释放问题。未来，这种设计策略有望推广至建筑外墙、车辆覆盖材料、农业遮阳织物以及更多可持续热管理场景，为应对全球气候变暖提供绿色、低碳的新方案。