东华大学AM：静电纺丝新策略！钛酸钡表面矿化纤维织物实现城市主动降温

全球变暖与城市化进程的加速，使城市热岛效应成为威胁可持续城市发展与公共健康的最紧迫问题之一。随着城市扩张，空调的普及以及混凝土、沥青等吸热材料的广泛使用，将人为废热与太阳辐射困于城市之中，形成稳定的热低压中心。这种条件驱动了一种自我延续的循环：将更暖的空气吸入城市内部，同时困住热量与污染物，不仅加剧城市热应激，还导致臭氧和细颗粒物等二次污染。长期暴露于热岛效应放大的温度环境中，会显著增加脆弱人群的热相关疾病风险，并使心血管和呼吸系统疾病患者面临更高风险。应对这一挑战，需要从源头解决热岛效应的冷却技术。被动日间辐射冷却提供了一条零能耗路径，通过反射阳光并经由大气透明窗口向太空辐射热量，从而缓解城市热负荷。在实际应用中，尽管辐射冷却涂层在建筑领域占据主导地位，但其存在季节适应性差、冬季过冷风险、制造复杂和维护困难等问题。相比之下，辐射冷却织物则是一种灵活、可回收且具有适应性的替代方案。静电纺丝已成为制造增强光散射的纳米多孔纺织品的有效平台。然而，被动日间辐射冷却领域仍受困于光学效率与化学/机械稳定性之间的根本性权衡。传统的低折射率散射体（如聚合物、二氧化硅或氧化铝）需要重掺杂才能实现足够的散射，这会破坏基体连续性并导致脆化；相反，高折射率的二氧化钛具有优异的散射性能，但表现出强光催化活性，会在紫外线照射下导致聚合物降解，损害长期耐久性。这种光学性能与材料可靠性之间的困境，已成为该领域尚未解决的瓶颈。

针对这一难题，东华大学闫建华教授课题组提出了一种介电泳组装策略，用于制造高柔性、高陶瓷负载的钛酸钡表面矿化纤维织物（图1a）。在静电纺丝过程中，泰勒锥内的电场梯度诱导钛酸钡纳米颗粒向纤维表面定向迁移与组装，形成半暴露结构，在增强背向米氏散射的同时，保留了连续且柔性的PVDF-b-PTFE聚合物芯层。所制备的表面矿化纤维织物断裂应变达170%，太阳反射率为96.78%（可见光区达99.49%），大气窗口平均发射率为96.19%，净冷却功率为110.1 W·m⁻²。在户外条件下，该织物的表面温度比传统混凝土墙低约20°C，比环境温度低约5°C。多尺度物理实验与高分辨率WRF模拟进一步表明，在模拟的大规模部署情景下，该织物的覆盖可产生局部冷高压区，并显著改变甚至可能逆转经典的城市热岛环流，为调节城市热环境提供了一种基于材料的途径。相关论文以“Dielectrophoretic Assembly of BaTiO3 Radiative Cooling Textiles for Proactive Urban Cooling”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先通过有限元模拟揭示了介电泳组装的机制。基于漏电介质模型的模拟表明，液-气界面的自由电荷积累降低了泰勒锥内部的电场强度，同时在界面附近集中了显著的电场梯度（图1b）。因此，具有正Clausius-Mossotti因子的纳米颗粒在正介电泳作用下向高场界面区域迁移，而具有负Clausius-Mossotti因子的纳米颗粒则在负介电泳作用下优先保留在内部。为验证这一机制，研究团队以PVDF-b-PTFE/DMF纺丝溶液为连续相，将钛酸钡纳米颗粒与辐射冷却织物中常用的传统陶瓷填料进行对比。介电测量显示，钛酸钡的介电常数显著高于纺丝溶液，与施加条件下正的Clausius-Mossotti因子一致（图1c）。这种介电对比以及强烈的界面电场梯度，有利于钛酸钡纳米颗粒克服纺丝溶液的粘性阻力，向液-气界面附近迁移并富集。在随后的射流拉伸、溶剂蒸发和纤维固化过程中，界面富集的钛酸钡纳米颗粒部分暴露在纤维外部，形成独特的层级微纳粗糙形貌，扫描电子显微镜图像证实了这种表面富集结构（图1d）。时域有限差分模拟的散射电场分布显示，表面矿化纤维的背向散射强于传统均匀掺杂纤维（图1e）。这种增强归因于高折射率钛酸钡纳米颗粒在纤维-空气界面的富集和部分暴露，增加了折射率对比度并促进了高效的米氏散射（图1f）。与模拟的散射行为一致，表面矿化纤维织物在相同陶瓷负载下表现出比传统掺杂对照织物更高的太阳反射率，支持了控制散射颗粒空间分布的光学优势（图1g）。表面矿化结构还缓解了高无机颗粒负载通常导致的柔韧性损失。在传统掺杂纤维中，高浓度刚性颗粒会破坏聚合物基体的连续性并产生局部应力集中；相比之下，钛酸钡纳米颗粒的界面富集使得表面矿化纤维内部保留了连续的富聚合物芯层（图1h）。因此，在钛酸钡负载量为聚合物质量100 wt%时，表面矿化纤维织物表现出比相应传统掺杂对照织物更高的拉伸强度和断裂伸长率（图1i）。循环加载-卸载曲线显示，在20%应变下经过1000次循环后，应力响应几乎没有变化（图1j）。此外，该织物在反复手动弯曲和机械磨损后仍保持高太阳反射率，表明其光学性能在反复变形和磨损下基本得以保持。

图1 | 表面矿化纤维的设计策略与性能验证。 (a) 介电泳力机制驱动颗粒迁移的示意图。(b) 有限元模拟揭示泰勒锥表面附近的巨大电场梯度以及纳米颗粒向界面迁移的轨迹。(c) 纺丝溶液组分的介电常数测量。(d) 表面矿化纤维与传统掺杂纤维的对比SEM显微照片，突出独特的微/纳米突起形貌。比例尺，1 μm。(e) FDTD模拟的散射电场分布，比较内部嵌入纳米颗粒与表面矿化纤维结构，显示背向散射显著增强。(f) 二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡和PVDF-b-PTFE相对于空气以及相对于PVDF-b-PTFE的折射率比。(g) 在等效颗粒负载下表面矿化纤维和传统掺杂织物的太阳反射光谱。(h) 示意图比较说明表面矿化纤维设计的结构柔韧性，其保留了连续聚合物芯层，而传统掺杂纤维则不然。(i) 表面矿化纤维和传统掺杂织物的拉伸应力-应变曲线，展示即使在100 wt%负载下也具有优异的机械鲁棒性。(j) 在20%应变下1000次循环的循环加载-卸载曲线，证明稳定的机械响应和结构完整性。

在光学优化方面，研究团队通过时域有限差分模拟系统研究了纳米颗粒尺寸和纤维直径的协同效应。结果表明，优化纳米颗粒与纤维之间的尺寸比，同时使纳米颗粒尺寸分布与太阳光谱高辐照区域光谱匹配，可有效激发多重散射共振（图2a）。在这些模拟指导下，研究团队确定了钛酸钡纳米颗粒的最佳尺寸范围为0.2–0.5 μm，理想纤维直径为1–3 μm，实验制备的表面矿化纤维的形貌特征与这些理论预测高度一致（图2b），支持了介电泳诱导组装在实现设计多尺度结构方面的有效性。研究团队进一步系统研究了材料组成与宏观光学性能之间的结构-性能关系。当钛酸钡负载量增加至与聚合物基体等质量比（100 wt%）时，纤维网络内形成密集堆积的高折射率散射中心，增强了多重光散射并驱动太阳反射率趋于饱和（图2c）。值得注意的是，由于钛酸钡纳米颗粒的高效表面富集，该织物在仅184 μm厚度下就达到了反射率平台（图2d）。这一显著的厚度优势大幅降低了实现高太阳反射率所需的材料厚度，有利于开发轻质柔性的辐射冷却器件。同时，PVDF-b-PTFE聚合物在大气透明窗口内的强本征吸收带有助于织物的高宽带发射率（图2e）。因此，结构优化后的表面矿化纤维织物实现了顶级的辐射冷却性能（图2f）。它们在大气透明窗口（8–13 μm）内实现了96.19%的平均发射率，以及96.78%的整体太阳反射率。值得注意的是，扣除钛酸钡的本征紫外吸收后，可见光谱反射率高达99.49%，接近理论极限。这些优异的光学特性无缝转化为出色的净冷却功率（图2g）。根据能量平衡方程，在1000 W·m⁻²太阳辐照度和300 K环境温度下，表面矿化纤维织物的理论净冷却功率达到令人印象深刻的110.1 W·m⁻²。这一突破性指标验证了其核心假设：通过介电泳操纵纳米颗粒的空间分布，可以从根本上重塑光子传输，从而为设计功能纺织品建立了一种新范式。

图2 | 光学优化、散射机制和辐射冷却性能。 (a) 不同钛酸钡纳米颗粒尺寸和PVDF-b-PTFE纤维直径下，作为入射波长函数的FDTD计算散射效率。(b) 实验制备纤维直径的统计分布，与理论预测的最佳范围高度一致。(c) 钛酸钡负载浓度从0到500 wt%的织物太阳反射光谱演变。(d) 作为织物厚度函数的太阳反射率演变，确定184 μm处的光学饱和平台。(e) PVDF-b-PTFE基体的傅里叶变换红外光谱，蓝色阴影区域表示大气透明窗口（8–13 μm）。(f) 优化后表面矿化纤维的光谱表征，实现近理想太阳反射率96.78%和大气窗口发射率96.19%。(g) 在1000 W·m⁻²太阳辐照度和300 K下计算的净冷却功率，证实高性能亚环境辐射冷却。

在实际应用与功能验证方面，研究团队评估了表面矿化纤维织物在复杂城市环境中的长期可靠性，考察了其耐候性、机械鲁棒性和色彩可调性。由介电泳诱导的钛酸钡突起和静电纺丝纤维网络组成的层级微纳结构，赋予材料显著的超疏水性（图3a）。与Cassie-Baxter模型一致，这种结构通过捕获空气囊减少固液接触面积，从而实现自清洁行为，表面污染物可被滚动的水滴带走（图3b）。此外，表面矿化纤维织物表现出互补的光稳定化效应。PVDF-b-PTFE基体中高键能的C-F键（约485 kJ·mol⁻¹）提供了对紫外线诱导降解的固有抵抗力，而宽带隙钛酸钡纳米颗粒则衰减入射紫外线辐射，减少聚合物基体对高能光子的暴露。因此，经过5个月的加速紫外线老化和50次连续洗涤循环后，表面矿化纤维织物仍保持高太阳反射率，性能退化可忽略不计，表现出优异的环境耐久性（图3c）。为拓宽其城市适用性并减轻视觉眩光，研究团队通过将各种荧光纳米颗粒掺入表面矿化纤维基体，实现了色彩可调性（图3d）。PVDF-b-PTFE强大的负载能力确保这些纳米颗粒在纤维内的高效封装。光谱分析显示，荧光纳米颗粒的吸收光谱与钛酸钡的紫外吸收带重叠（图3e）。值得注意的是，荧光纳米颗粒吸收的部分紫外能量通过斯托克斯位移以更长波长的可见光重新发射，从而在赋予色彩的同时减少以热量形式耗散的吸收能量比例。事实上，紫外区域的热吸收略有降低，从而适度提高了整体冷却效率。在无聚乙烯对流罩的真实条件下进行的低于环境温度的户外测试证实，荧光表面矿化纤维织物优于未改性对应物。其表面温度比混凝土建筑墙低约20°C，比环境温度低约5°C（图3f）。此外，该制造工艺具有高度可扩展性；连续生产可产出足以覆盖数层建筑的大面积纺织品，充分验证了在实际建筑上大规模部署的可行性（图3g）。

图3 | 多功能性能、耐久性和真实世界冷却验证。 (a) 静态水接触角测量，证实层级表面矿化纤维结构的超疏水性。(b) 顺序照片展示高效自清洁行为，表面污染物被滚动水去除。(c) 50次连续洗涤循环（左下插图）和5个月UVA-340灯加速紫外线老化（右上插图）后太阳反射率的稳定性，证明表面矿化纤维织物强大的环境耐久性。(d) 含有不同荧光磷光体颗粒的表面矿化纤维的伪彩色SEM图像；插图显示相应的EDS元素分布图（左上）和着色织物的宏观照片（右上）。比例尺，3 μm。(e) 红色、黄色和绿色磷光体的吸收（虚线）和发射（实线）光谱，以及钛酸钡的吸收光谱（虚线）。(f) 在无聚乙烯对流罩的真实条件下，比较着色表面矿化纤维织物与常规混凝土和环境空气的实时户外冷却性能。(g) 照片展示表面矿化纤维织物的可扩展连续制造能力。比例尺，40 cm。

为量化表面矿化纤维织物在实际建筑热性能方面的节能效益，研究团队使用EnergyPlus软件进行了全尺寸建筑能耗模拟，建模了一栋8层办公楼（图4a）。结果表明，在建筑围护结构上部署该材料，在全球热带地区可实现最大62 MJ·m⁻²·年⁻¹的能耗降低（图4b），并相应减少高达9 kg·m⁻²·年⁻¹的二氧化碳排放（图4c）。同时，该材料在跨越不同全球气候区的城市中均展现出显著的节能潜力（图4d）。为评估表面矿化纤维织物在宏观尺度上缓解城市热岛效应的潜力，研究团队采用多尺度耦合方法，将物理尺度模型实验与WRF中尺度气象模拟相结合。研究团队构建了一个由混凝土结构（“城市”）和人造草坪（“郊区”）组成的二元热力学模型。在太阳辐照下达到热稳态后，在城市-郊区边界注入示踪烟雾，揭示了由温差驱动的经典城市热岛环流：受热的城市空气形成低压区，将较凉的空气从郊区吸入（图4e）。然而，在城市表面加装表面矿化纤维织物后，显著的冷却效应建立了局部高压区。值得注意的是，热力学环流发生了逆转：空气从凉爽的城市中心向外扩散至郊区，形成明显的“反热岛环流”（图4f）。这一流体动力学演示证实，表面矿化纤维织物不仅降低了表面温度，还主动破坏了城市热岛形成的基本机制。为在复杂现实气候系统中验证这一效应，研究团队对中国乌鲁木齐市进行了高分辨率WRF模拟，并耦合了城市冠层模型。通过修改表面反照率和长波发射率来模拟大规模表面矿化纤维织物部署，揭示了深刻的大气变化。在基线情景中，城市持续受到来自沙漠的强北向热平流影响。辐射冷却表面的实施诱导了显著的城市温度下降，形成局部“冷高压”细胞。这种压力梯度有效阻挡或削弱了热沙漠风的入侵，同时在下风向诱导补偿性冷空气流，将城市从“热岛”转变为相对于沙漠背景的“冷岛”（图4g）。对模拟气象数据的分析显示，城市表面温度持续降低，与户外实验中观察到的冷却趋势一致（图4h）。此外，大规模表面矿化纤维织物部署降低了平均10米风速，并抑制了白天行星边界层的发展（图4i）。这些发现表明，表面矿化纤维织物在提供局部冷却和通过改变地表-大气能量交换影响中尺度大气动力学方面具有双重功能。结果表明，调整表面辐射特性可以为改变局部城市热环流提供有效途径。

图4 | 表面矿化纤维织物的建筑节能效益和宏观城市热岛缓解。 (a) 用于EnergyPlus全尺寸能耗模拟的8层办公楼模型。(b) 全球地图显示建筑能耗降低（热带地区最高达62 MJ·m⁻²·年⁻¹）。(c) 全球地图说明相应的二氧化碳排放减少（最高达9 kg·m⁻²·年⁻¹）。(d) 跨越不同全球气候区的城市节能潜力比较。(e) 经典城市热岛环流的物理尺度模型可视化：示踪烟雾揭示从凉爽郊区向温暖城市中心的热驱动气流。(f) 在城市表面应用表面矿化纤维织物后热力学环流的逆转：凉爽的城市中心产生向外气流，建立“反热岛”环流。(g) WRF模拟的中国乌鲁木齐2米空气温度和10米风矢量的空间分布，对照和表面矿化纤维覆盖情景，显示从热岛模式向冷岛模式的转变。(h) 对照和表面矿化纤维覆盖情景下城市表面温度的模拟1周时间序列，显示大规模表面矿化纤维部署后持续的表面冷却。(i) 对照和表面矿化纤维覆盖情景下10米风速的模拟1周时间序列，显示表面矿化纤维覆盖情景下近地表风速降低。

综上所述，本研究建立了一种介电泳驱动的表面矿化策略，用于制造机械和化学稳定的钛酸钡基被动辐射冷却织物。通过利用电场梯度将高折射率钛酸钡纳米颗粒富集在柔性聚合物纤维表面，所得半暴露结构同时实现了优异的太阳反射率、高大气窗口发射率以及卓越的机械鲁棒性，并具有长期光稳定性和自清洁功能。超越单一材料性能，本研究开创了从微观光学优化到宏观城市气候干预的转变：多尺度实验和WRF模拟表明，大规模织物部署可产生局部冷高压区，并可能逆转经典的城市热岛环流。这项工作为通过智能辐射表面工程实现气候韧性城市提供了一条新途径。