清华大学化工系张如范课题组在多功能辐射制冷织物研究方面取得进展

近日，清华大学化工系张如范副教授课题组设计并制备了一种具有径向梯度多孔结构的细菌纤维素气凝胶纤维织物，成功解决了气凝胶纤维力学强度与冷却性能难以兼顾的矛盾，并实现了辐射冷却、力学防护与运动监测的一体化集成，为辐射制冷气凝胶纤维及户外个人热管理多功能纺织品提供了一种通用、可持续且可扩展的制备方法。

辐射制冷（Radiative cooling）是一种利用热辐射实现降温的被动制冷技术，能够在强阳光照射下实现零耗能的亚环境制冷，有望成为传统高耗能制冷设备（如空调）的替代方案，对缓解当前能源危机具有重要意义。辐射制冷织物通过反射太阳辐射并利用大气透明窗口将人体热量辐射至外太空，可实现零能耗降温，在个人热管理领域具有广阔前景。然而，传统织物难以同时满足高效冷却、力学强度和传感功能等多重需求。气凝胶纤维因其高孔隙率和良好的辐射冷却能力受到关注，但其多孔结构往往导致机械强度不足，限制了实际穿戴应用。细菌纤维素作为一种可持续生物基材料，具有高结晶度、低热导率和丰富的表面官能团，但其折射率适中，光散射效率有限，难以直接实现高太阳反射率。

针对上述难题，研究团队提出了一种梯度凝固浴湿法纺丝技术。通过调控纤维在高低浓度凝固浴中的相分离速率，在单根纤维内部自发形成“致密褶皱外壳+多孔内核”的径向梯度结构。高浓度凝固浴使纤维表面快速相分离，形成致密褶皱外壳；低浓度凝固浴则使内部缓慢相分离，形成有序多孔内核。该结构通过多尺度光散射协同作用，显著提升了梯度多孔气凝胶纤维（GP-BCAF）织物的太阳反射率。同时，外壳的微米级褶皱可通过弹性变形耗散冲击能量，内核的纳米纤维网络则提供稳定的机械支撑。

基于此，研究人员通过梯度凝固浴湿法纺丝技术，使细菌纤维素溶液依次经过高浓度和低浓度凝固浴，在单根纤维内部形成致密褶皱外壳与多孔内核的径向梯度结构（图1a-d）。图中还给出了织物的实物照片、太阳反射率与红外发射率光谱，以及与棉、羊毛和致密光滑壳层气凝胶纤维（DS-BCAF）等织物的性能对比雷达图（图1e-f）。结果显示，GP-BCAF织物的太阳反射率达到94.7%，中红外发射率达到97.3%。

图1.GP-BCAF织物的制备与表征

傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）结果证实，硅烷化处理后纤维表面成功引入了Si-O-Si和Si-C键，且修饰贯穿整个纤维截面（图2a-c）。扫描电子显微镜‌（SEM）图像显示，DS-BCAF纤维呈光滑壳层结构，而GP-BCAF纤维具有明显的褶皱外壳和多孔内核（图2d-g）。X射线衍射（XRD）谱图表明，GP-BCAF的结晶结构发生了适度变化（图2h）。BET测试进一步显示，GP-BCAF的比表面积和孔体积均高于DS-BCAF，孔径分布覆盖微孔、介孔和大孔（图2i-j）。

图2.GP-BCAFs的化学和结构特性分析

透气性和水蒸气透过率测试表明，GP-BCAF织物的舒适性与棉织物相当（图3a-c）。在2025年9月7日北京户外测试中，GP-BCAF织物在太阳照射下的最终温度比棉织物低8.5摄氏度，比羊毛低6.2摄氏度，比DS-BCAF织物低1.8摄氏度（图3d-g）。人体前臂测试进一步显示，覆盖GP-BCAF织物的皮肤温度比裸露皮肤低7.4摄氏度，比棉织物低2.8摄氏度，比DS-BCAF织物低1.4摄氏度（图3h-j）。

图3.织物的舒适性与户外降温性能

应力-应变曲线显示，GP-BCAF的拉伸强度达到50 MPa，断裂伸长率为23%，均显著高于DS-BCAF（图3a-b）。单根纤维可承受100 g拉伸载荷而不断裂（图3c）。模拟结果表明，梯度多孔结构能有效分散应力，避免应力集中（图3d-e）。落锤冲击测试中，GP-BCAF织物的峰值冲击力比DS-BCAF低42.8%，缓冲时间更长，表明其具有更好的动态防护性能（图3f-h）。

图4.织物的机械性能与抗冲击性能

该织物可通过连续纺丝和编织实现规模化制备，并具有良好的柔软度和柔韧性（图5a-e）。将其集成到摩擦纳米发电机中，可实时监测运动、静止、撞击及冲击后继续运动等不同状态下的电压信号，且在出汗环境下仍能清晰识别（图5f-i）。冲击对比照片显示，GP-BCAF织物能有效保护木板免受冲击损伤。红外热像图进一步表明，在户外阳光下穿着GP-BCAF织物时，皮肤表面温度明显低于对比织物。

图5.GP-BCAF织物的多功能应用及性能

该研究以“用于户外个人热管理的多功能气凝胶纤维辐射冷却织物”（Multifunctional Aerogel Fiber Radiative Cooling Fabric for Outdoor Personal Thermal Management）为题，于9月26日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

张如范副教授为论文通讯作者，清华大学化工系博士后冯李楠为论文第一作者。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国石油创新基金、北京市自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-77997-w

供稿：化工系

编辑：李华山

审核：王晓霞