文献快讯：Nat. Sustain. 全丝纳米纺织品实现94.8%太阳反射率，为个人热管理提供可持续方案

【成果掠影 & 研究背景】

全球气温持续升高使得日间热应激成为日益严峻的健康挑战，而纺织品作为人体与环境之间的直接界面，在个人热管理中扮演着至关重要的角色。当前市场上主流的合成纺织品（占全球产量的64%）虽然凭借其优异的可设计性和加工性被广泛用于辐射冷却领域，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯等材料通过纳米颗粒修饰（氧化铝、氧化锌、二氧化钛等）或复杂结构设计实现了日间辐射冷却功能，但这些复合体系在日常使用中面临着微塑料脱落和有毒纳米颗粒释放的双重风险，对生态环境和人体健康构成严重威胁。因此，开发一种既能高效散热又完全不含合成聚合物和有毒添加剂的可持续纺织品成为迫切需求。

针对这一关键挑战，清华大学张莹莹教授团队与东北林业大学陈文帅教授团队合作在Nature Sustainability上报道了一种全丝纳米纺织品（SilkNT）。该纺织品通过斐波那契螺旋缠绕技术将再生丝纳米纤维均匀包裹在商业化丝线表面，构建了纯天然的分层核壳结构。这一巧妙设计使SilkNT实现了94.8%的太阳反射率和96.3%的大气透明窗口红外发射率，同时将紫外线吸收率从天然丝绸的43.6%大幅降低至8.19%。在峰值太阳辐照（839.1 W/m2）下，覆盖SilkNT的模拟皮肤表面温度比无覆盖时低18.4°C，比普通丝绸、醋酯纤维和棉织物至少低8.0°C；在实际人体穿着测试中，SilkNT覆盖区域皮肤温度比普通丝绸区域低4.3°C。更关键的是，该纺织品完全由天然蚕丝构成，不含任何合成聚合物或有毒纳米颗粒。生命周期评估结果表明，相比现有纳米颗粒改性冷却纺织品，全丝结构在气候变化、资源消耗和人体毒性等多项环境影响指标上均显著降低，且材料在土壤中130天内即可明显降解，降解产物经细胞毒性测试证实具有良好的生物相容性。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 斐波那契螺旋缠绕技术构建核壳结构：首次将斐波那契螺旋这一数学几何图案引入纺织品的微纳结构设计，通过静电纺丝工艺使再生丝纳米纤维以精确的螺旋角均匀包裹在商业丝线表面，形成核壳结构丝纳米纱线。X射线计算机显微断层扫描证实纳米纤维均匀包覆，且该工艺保留了原丝线的机械强度（断裂强度保持率约90%），为规模化生产提供了技术可行性。

• 纯天然全丝组分避开微塑料与纳米颗粒风险：SilkNT的制备原料仅使用天然蚕丝，完全不含聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等合成聚合物以及氧化铝、二氧化钛等金属氧化物纳米颗粒。实验对比显示，传统纳米颗粒改性丝织物的3T3成纤维细胞培养7天后细胞数量持续下降（450 nm吸光度从0.9降至0.4），而SilkNT组细胞数量随培养时间稳步增长（从1.2增至2.7），且细胞形态规则，证明其优异的生物相容性远超含纳米颗粒对照材料。

• 紫外线-可见光-红外三波段协同光学管理：基于再生丝本征光学特性的系统表征，SilkNT实现了三波段协同光热调控。紫外线波段（300-360 nm）利用丝蛋白的荧光特性将吸收的紫外光转化为可见光发射（发射峰406 nm，能量转换效率2.6%），将紫外线吸收从43.6%降至8.19%，减少了本应转化为热量的能量输入；可见-近红外波段（0.4-2.5 μm）利用直径约474 nm的纳米纤维（与太阳光谱波长相匹配）通过米氏散射实现高效反射；红外波段（8-13 μm大气窗口）利用丝蛋白分子振动实现96.3%的高发射率。

• 有限元仿真指导纳米纤维直径优化：通过COMSOL模拟不同直径单根再生丝纳米纤维在电磁波辐射下的电场分布和散射效率，发现当纤维直径接近太阳光波长时散射效率最高。综合模拟结果，实验制备的纳米纤维直径分布（高斯分布，中心约474 nm）被精确调控至与标准太阳光谱匹配，密集纳米纤维层的电场分布模拟进一步证实该结构可有效阻止光穿透，从而达到94.8%的创纪录太阳反射率。

• 穿着舒适性与实际降温效果的系统验证：SilkNT在保持优异光学性能的同时，接触角128度（疏水防瞬时渗透，1分钟内吸湿排汗）、芯吸距离与棉/丝相当（3.5 cm/30 min）、透湿率120 g/m2/h（与棉的115 g/m2/h基本持平），且经5小时水洗后太阳反射率仍保持初始值的95%。在北京9月正午阳光下穿着实测显示，SilkNT覆盖区域皮肤温度约32°C，而普通丝绸覆盖区域约36.3°C，温差达4.3°C。红外热像图进一步证实了该温差在户外环境中的持续存在。

• 全生命周期环境影响显著降低：基于IMPACT World+中点评估方法的生命周期分析表明，相比含纳米颗粒的辐射冷却纺织品，SilkNT在气候变化（短期和长期）、矿物资源消耗、臭氧消耗、淡水生态毒性、人体毒性（癌症和非癌症）、淡水酸化、陆地酸化和海洋富营养化等所有评估类别中均表现出更低的环境影响，其中人体毒性（癌症）指标降低约34.6倍，淡水生态毒性降低约1.3倍。

• 完全生物降解性与可回收性验证：在含Pronase E酶的PBS缓冲液中365天后，SilkNT质量减少33%，SEM观察显示外层再生丝纳米纤维已完全降解，内层天然丝线也出现明显降解；在自然土壤环境中130天后肉眼可见明显降解，而对照的PVDF-HFP、PE、PTFE和尼龙纺织品几乎无变化。回收实验中，SilkNT可经溶解-冻干-再纺丝实现约95%的材料回收率。

图1 | SilkNT的制备与光学性能。a，SilkNT的斐波那契螺旋缠绕制备过程示意图，红色双箭头指示样品宽度12 cm。b，再生丝的复折射率（n-ik）。c，浇铸再生丝素蛋白膜的荧光图谱。d，浇铸再生丝素蛋白膜的吸收、荧光激发和发射光谱与归一化太阳光谱的对比。e，500 nm直径再生丝纳米纤维在500 nm光辐射下的模拟电场分布（横截面视图），电场偏振方向垂直于纤维轴。f，再生丝纳米纤维散射效率的模拟图谱，电场偏振方向垂直于纤维轴。g，丝纳米纱表面再生丝纳米纤维的直径分布，共统计516根纤维。h，直径457 nm±90 nm的密集纳米纤维层在500 nm光辐射下的模拟电场分布。i，SilkNT的光谱反射率与归一化ASTM G173太阳光谱和大气透明窗口的对比，大气透过率Tatm（λ，θ=0°）在4-25 μm范围内使用ATRAN计算。

图2 | SilkNT的日间辐射冷却性能。a,b，用于表征日间辐射冷却性能的热监测系统示意图（a）和光学图像（b）。c，覆盖SilkNT和商业化丝织物的模拟皮肤在不加额外电加热时的温度随时间变化（北京，2023年5月18日），灰色区域为10:00-14:00时段。d，覆盖SilkNT（10:00-14:00平均2.9°C）和商业化丝织物（10:00-14:00平均5.1°C）的模拟皮肤相对环境温度的温度差ΔT=T环境-T样品。e，无覆盖和覆盖不同织物的模拟皮肤在加电加热模拟真实人体皮肤时的温度（北京，2022年6月23日）。f，无覆盖和覆盖不同织物的模拟皮肤相对SilkNT的温度差ΔT=T对照/T裸皮肤-TSilkNT。g，维持34°C舒适皮肤温度所需的计算冷却功率需求（对流传热系数2 W/m2/K）。h，不同对流传热系数（2，4，6和8 W/m2/K）下SilkNT、丝、棉和醋酯纤维的计算外表面温度。

图3 | SilkNT的力学性能、透湿性、芯吸距离、生物相容性和实际冷却性能。a，丝纳米纱的机械强度。b，不同织物的透湿性和芯吸距离。c，不同培养组在培养1、3、7天后CCK-8实验中450 nm吸收值，数据以平均值±标准差和单个数据点表示，每组n=3个独立接种处理孔，每孔测量4次技术重复，对照组为纳米颗粒改性丝织物的细胞培养组。d，不同组培养基中培养的细胞荧光图像，标尺300 μm。e，直接太阳辐射下不同织物（SilkNT和原始丝）覆盖的皮肤温度（北京，2023年9月12日）。f，直接太阳辐射下志愿者的红外图像，温度单位为摄氏度。g，人在由地面、天空和建筑物包围的开阔场景中的示意图。h，理论地面温度随太阳辐射功率和地面太阳反射率的变化。i，城市条件下垂直放置的SilkNT的模拟冷却功率，正值表示净辐射冷却。

图4 | SilkNT的生物降解性、可回收性和生命周期评估，以及SilkNT碎片的生物相容性。a，生物降解测试中SilkNT形态变化的光学照片，m0为初始质量，m为降解后质量。b，生物降解前（第0天，上）和生物降解365天后（第365天，下）丝纳米纱的SEM图像。365天后外层丝纳米纤维已消失，仅留下内层商业丝线，标尺50 μm。c，SilkNT可回收性的演示。d，不同培养组在培养1、3、7天后CCK-8实验中450 nm吸收值，数据以平均值±标准差和单个数据点表示，每组n=3个独立接种处理孔，每孔测量4次技术重复，对照组为不含SilkNT碎片的空白培养基。e，培养基中培养的细胞荧光图像，标尺300 μm。f，与含纳米颗粒的日间辐射冷却纺织品相比的环境影响类别对比，基于IMPACT World+中点V1.03方法。CTUe为淡水生态毒性比较毒性单位，CTUh为人体毒性比较毒性单位，CFC-11为臭氧消耗参比物质三氯氟甲烷。

【总结 & 原文链接】

本研究开发了一种全丝纳米纺织品SilkNT，通过斐波那契螺旋缠绕技术将再生丝纳米纤维均匀包裹在商业丝线表面，构建了完全不含合成聚合物和有毒纳米添加剂的纯天然分层核壳结构。该设计充分发挥了蚕丝的本征光学特性——高折射率（1.51）增强界面反射、紫外荧光效应将吸收的紫外光转化为可见光发射、分子振动提供高红外发射——并通过纳米纤维直径与太阳光谱波长的匹配实现米氏散射最大化。SilkNT因此实现了94.8%的太阳反射率、96.3%的大气窗口红外发射率和仅8.19%的紫外吸收率，在实际人体穿着中提供4.3°C的降温效果。材料的触觉舒适性、透气性（透湿率120 g/m2/h）、耐洗性（5小时水洗后反射率保持95%）和机械强度均满足日常穿戴需求，且不含微塑料和纳米颗粒风险。生命周期评估证实其在气候变化、人体毒性和资源消耗等几乎所有环境影响指标上均显著优于现有纳米颗粒冷却纺织品。这种将光学功能、机械性能和可持续性统一于单一天然材料体系的设计范式，不仅为个人热管理提供了高性能低碳方案，也可以推广至建筑围护、农业遮阳、车辆覆盖等多尺度应用场景。该工作为下一代高性能冷却材料建立了一个可推广的、基于天然生物基原料的可持续工程范例，在降低对合成复合材料和其相关环境健康负担依赖方面具有重要的科学意义和实用价值。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41893-026-01887-8

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