天津大学封伟团队AFM：受北极熊启发，双屏蔽分子太阳能热储能纤维膜实现人体热管理

储得住光能，还留得住热量

近日，天津大学封伟教授团队受北极熊毛发—皮肤协同热调控机制启发，开发了双屏蔽分子太阳能热储能纤维膜（DS-MSTFM）。该材料将偶氮苯分子储能与对流、辐射双重热屏蔽相结合，既能储存光能、释放热量，又能减少热量流失，实现抗风个人热管理。

研究团队通过透明PDMS层、微结构储能纤维层与面向皮肤的银纳米片层协同设计，使器件的冷却时间常数达到未屏蔽纤维膜的约5.4倍，并在2.0 m s⁻¹气流下保持良好的热管理表现。

相关成果以“Bioinspired Dual-Shielding Molecular Solar Thermal Fibrous Membrane for Enhanced Thermal Retention and Self-Powered Wearable Sensing”为题发表于Advanced Functional Materials。论文第一作者为天津大学材料学院Shuo Wang，通讯作者为天津大学封伟教授。

受北极熊毛发—皮肤协同热调控机制启发，研究团队构建了三层协同纤维膜：

上层：透光与对流屏蔽。透明PDMS薄膜的平均透光率约为93%，与纤维膜表面的柱状凸起形成受限空气微腔，在允许光线进入的同时抑制对流散热。

中层：分子储能与释热。通过溶胀–去溶胀策略，将Azo-C6晶体负载于TPU纤维网络，实现可逆储能与释热；柱状凸起为上层薄膜提供支撑，维持空气微腔。

下层：红外辐射屏蔽。面向皮肤的银纳米片层增强中红外反射，减少辐射热损失，并兼作传感电极。

三层结构协同实现“光能进入—分子储能—热量保持”。

图1｜仿生双屏蔽纤维膜的结构设计、热调控机制与应用示意

溶胀–去溶胀：兼顾均匀负载、储能与柔性

储能分子的负载方式直接影响材料的光响应效率和机械稳定性。研究团队首先通过水辅助静电纺丝与模板辅助热压，制备具有可定制的规则柱状凸起的TPU纤维膜。

图2｜微结构纤维基底的制备

溶胀阶段，溶剂快速进入纤维网络并诱导聚合物链段松弛，为偶氮苯的引入提供通道；去溶胀阶段，随着溶剂挥发，偶氮苯逐渐结晶，在纤维表面及内部形成分布较均匀的晶体域。

优化后的MSTFM-80具有10.4 ± 0.2 kJ m-2的面储能密度。相较于粉末样品，纤维网络中的偶氮苯表现出更高的光异构化效率，最大Z异构体比例达到91.95%，暗态储能半衰期延长至26.8 h。在引入储能功能后，纤维膜仍保持良好的机械性能，拉伸强度达到15.8 MPa，断裂伸长率达到681%，为柔性可穿戴应用提供了基础。

图3｜微结构纤维基底溶胀–去溶胀负载、力学性能与储能释热行为

辐射屏蔽性能

研究团队在纤维膜背面构建银纳米片层，使材料在7–14 μm波段的平均红外反射率提升至65.11%，平均发射率降至32.97%。面向皮肤的银层如同一面“红外反射镜”，将部分人体热辐射反射回皮肤，减少辐射热损失。

图4｜银纳米片层的结构、红外光学性质及面向皮肤的辐射热调控效果

抗风热管理：双屏蔽结构有效留住热量

冷却动力学分析表明，双屏蔽结构使材料的特征冷却时间常数由33.1 s延长至177.6 s，达到对照样品的约5.4倍；综合热传递系数由13.37降至7.81 W m⁻² K⁻¹，降低41.6%，显著提升热量保持能力。

当风速由静止增至2.0 m s⁻¹时，未屏蔽MSTFM-80的光照温升由8.2 ℃降至3.5 ℃，下降约57%。相比之下，双屏蔽纤维膜表现出更好的抗风保暖效果，峰值温度比未屏蔽样品高9.1 ℃，停止光照后仍能维持更高的残余温度。

图5｜双屏蔽机制、冷却动力学、不同风速下的热响应及模拟低温佩戴测试

一膜多用：保暖与自供能感知协同集成

这张纤维膜还能将机械刺激转化为电信号。PDMS与MOST纤维层构成摩擦电接触对，银层收集电荷，柱状凸起则通过弹性压缩与恢复驱动接触—分离，使原有保温结构兼具自供能传感功能。器件既能捕捉23 mg羽毛落下的微弱冲击，也能监测脉搏、咳嗽及关节运动，并在4800次连续循环后保持稳定电压输出，实现热管理与人体信号感知的功能集成。

图6｜双屏蔽纤维膜的微弱刺激检测、脉搏监测与人体运动感知

研究展望

本研究将分子太阳能热储能与器件热损失调控相结合，通过纤维限域、受限空气微腔和面向皮肤的辐射屏蔽，实现储能、保温与传感的协同设计。

这一工作表明，MOST材料的可穿戴应用性能既取决于分子的储能能力，也取决于器件结构对热量流失的控制，为抗风个人热管理和多功能柔性可穿戴材料的开发提供了新的设计思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.78945