自人类文明诞生之初，保暖隔热就一直是至关重要的需求，从动物毛皮、羊毛到合成泡沫，再到真空绝热板和气凝胶，隔热材料不断演进。其中，气凝胶因其超低密度和高孔隙率而具有极低的热导率，成为隔热领域的佼佼者。然而，这些结构特性恰恰损害了气凝胶的机械强度，给其实际应用带来了巨大挑战。尽管已有化学交联、表面涂层、与机械性能强的材料共混等多种策略试图解决这一难题，但抗张强度的提升往往以牺牲柔软性为代价。在纺织品、车辆内饰、运动装备等领域，柔软性与热防护和抗张强度同样关键。因此，同时提升这三项性能，让气凝胶能够更有效地应用于这些领域，成为研究者追求的重要目标。
受企鹅羽毛的启发，天津工业大学庄旭品教授、瑞士洛桑联邦理工学院马友伟博士合作通过对共价和非共价相互作用的精细调控，在湿法纺丝过程中将芳纶纳米纤维组装成具有分级结构的仿生气凝胶纤维。该过程首先通过交联去质子化的芳纶纳米纤维溶胶形成多孔结构，随后通过酸诱导凝胶化产生由氢键构成的致密外壳。外壳赋予纤维高达74.6 MPa的抗张强度，而多孔芯层则使纤维具有优异的柔软性，弯曲应力和压缩应力分别低至33.8 kPa和39.8 kPa。该工艺具有可扩展性，可用于制造大面积织物，该织物具备可染色性、疏水性、阻燃性以及耐湿性和耐化学性。值得注意的是，该织物表现出优异的热隔热性能，一块0.9毫米厚的样品在隔热表现上超过了2.5毫米厚的毛衣和15毫米厚的羽绒服等更厚的商用产品。相关论文以“Bio-inspired cellular aerogel fibers integrating high mechanical strength and softness for thermal insulation textiles”为题，发表在Nature Communications上。
仿生设计与纤维制备
研究团队的灵感来源于企鹅羽毛的微观结构。企鹅羽毛具有多尺度孔尺寸的多孔芯层，外围由致密的角蛋白鞘包裹——鞘层提供高抗张强度，而多孔芯层则使结构易于弯曲和压缩。为了复现这种结构，研究者选择了芳纶纳米纤维作为构建单元，因为其具有高度有序和排列的结构特性。通过将凯夫拉纤维在碱液中去质子化，得到带负电荷的芳纶纳米纤维溶胶，再引入二溴交联剂调控其自组装行为。研究者通过粗粒化分子动力学模拟验证了这一过程：去质子化的芳纶纳米纤维因静电斥力随机分布，加入交联剂后，交联剂分子首先附着在纳米纤维的反应位点上，将邻近的链拉拢在一起，形成局部聚集和空隙，最终演化出蜂窝状结构。这一发现为利用芳纶纳米纤维构建具有高强度、柔软性和优异隔热性能的气凝胶纤维奠定了基础。
在纤维制备中，研究团队采用适应性湿法纺丝工艺。芳纶纳米纤维溶胶与交联剂混合反应2分钟后，通过纺丝头挤出，依次经过甲酸凝固浴和去离子水凝固浴。甲酸浴诱导形成致密层状外壳，而水浴则促进蜂窝状芯层的生成。最终经过溶剂交换和冷冻干燥，得到直径约500至740微米的皮芯结构气凝胶纤维。该纤维展现出良好的柔韧性，可以打结、扭曲和弯曲而不断裂，单根直径约700微米的纤维即可承载500克重量而不发生断裂。凝胶纤维还易于用阳离子和阴离子染料染色，赋予最终纤维多样的色彩。在多种有机溶剂中浸泡三个月后，纤维仍保持结构完整，即使在可溶解芳纶纳米纤维的碱/DMSO-水混合溶剂中也无法完全溶解，这得益于其共价交联网络。
图2 |芳纶纳米纤维的动态交联与自组装结构演化。a，不同反应时间后芳纶纳米纤维与DBH混合物的原位红外光谱。b，不同反应时间后芳纶纳米纤维与DBH混合物的扫描电镜图像。c，不同反应时间后芳纶纳米纤维与DBH混合物的Zeta电位。d，芳纶纳米纤维与DBH组装行为的粗粒化分子动力学模拟，截图取自初始步骤（左）、200万步骤（中）和900万步骤（右）。e，交联的芳纶纳米纤维与DBH混合物在甲酸中组装不同时间的原位红外光谱。f，交联的芳纶纳米纤维与DBH混合物在甲酸中组装不同时间的扫描电镜图像。g，交联的芳纶纳米纤维与DBH混合物在甲酸中组装不同时间的Zeta电位。h，层状结构（LS）、均质结构（HS）和蜂窝结构（CS）的二维广角X射线散射（2D-WAXS）图谱。i，LS、HS和CS的取向度计算结果。
织物性能与应用
研究团队进一步将气凝胶纤维在自动剑杆织机上织造成大面积织物，织物尺寸达到1.5米长、0.45米宽，面密度仅为37.0克每平方米。该织物具有疏水性，对染色水、牛奶、可乐和茶等常见家用液体具有良好的抗污能力。热重分析显示，织物5%热分解温度高达546°C，700°C时残炭率为45%，即使在酒精灯火焰上放置3秒也不会燃烧或明显焦化。织物还可以通过手工轻松塑形和成型，展现出良好的柔韧性和柔软度。在耐久性测试中，经聚二甲基硅氧烷处理后的织物在1000转每分钟的速度下洗涤35分钟并重复三次后，仍能保持形态和力学性能。但在340纳米波长、850微瓦每平方厘米强度的紫外光照射12小时后，织物颜色由浅黄色变为棕黄色，断裂应力和应变分别下降77%和50%，这一问题可以通过在织物表面涂覆紫外线吸收剂来缓解。
图3 |CAFs的制备、结构及织物性能。a，依次在225秒加入DBH和500秒加入40体积%甲酸后芳纶纳米纤维溶胶的时间扫描流变曲线。CAFs的（b）横截面扫描电镜图像以及不同放大倍数下的（c,d）芯层局部放大图像。e，打结和扭曲CAFs的扫描电镜图像。照片展示（f）染色后的气凝胶纤维，（g）在织机上制备的织物，（h）自支撑织物和（i）揉捏后的织物。
力学性能的调控与优化
通过改变交联剂的用量和分子链长度，研究者可以系统地调控气凝胶纤维的孔径和力学性能。当交联剂用量从6摩尔百分比增加到14摩尔百分比时，纤维芯层的大孔平均尺寸从1.8微米增加到2.7微米，而纳米孔尺寸则从137.2纳米减小到76.0纳米。令人惊讶的是，随着交联密度的增加，纤维的抗张强度和断裂伸长率反而同时提高——从57.1 MPa和27.4%提升至74.6 MPa和38.1%。研究团队将这一反常现象归因于高度交联材料中更大孔洞的存在。与此同时，杨氏模量和弯曲应力、压缩应力则随交联剂用量增加而显著下降，CAF-14DBH的弯曲应力仅33.8 kPa，压缩应力仅39.8 kPa，远低于未添加交联剂的均质多孔气凝胶纤维（350.6 kPa）。经过100次弯曲循环和100次压缩循环后，纤维仍能保持其微观结构和低应力特性，显示出优异的抗疲劳性能。
有限元模拟揭示了蜂窝结构高柔软性的机理：在压缩过程中，大孔优先在低应变下变形，应力分布呈现明显的不均匀性，大孔在40%应变下发生显著扭曲，在70%应变下逐渐收缩并最终塌陷；而均质多孔结构由于仅含有小孔，在压缩下表现出更均匀的承载行为，应力分布相对均匀，这使得材料更不易变形，因而刚性更高。
图4 |CAFs的力学性能及结构柔韧机制。a，HPAFs和CAF-14DBH的轴向拉伸应力-应变曲线。b，HPAFs和CAF-14DBH的弯曲应力-应变曲线，最大弯曲应变为70%。c，CAF-14DBH在70%最大应变下连续100次循环的弯曲曲线。d，HPAFs和CAF-14DBH的压缩应力-应变曲线，最大压缩应变从2.5%逐步增加至50%（如图所示），每个应变下进行五次连续循环。e，CAF-14DBH在25%压缩应变下连续100次循环的压缩曲线。f，CAF-14DBH与其他已报道气凝胶材料的拉伸应力和压缩应力对比。蜂窝结构（g,i）和均质结构（h,j）在压缩至30%应变前后的模拟应力分布图像及沿选定线的应力分布。
隔热性能与实际应用验证
蜂窝芯层的高孔隙率为气凝胶纤维提供了优异的隔热性能。红外热像显示，放置在200°C热台上的纤维在壳层和芯层之间存在明显的温度梯度，芯层温度显著低于壳层。CAF-10DBH的热导率最低，仅为28.4毫瓦每米每开尔文，即使在90%相对湿度下也仅略微上升至29.7毫瓦每米每开尔文。由该纤维织成的0.9毫米厚织物在200°C热台上展现出72.8°C的温差，远优于同等厚度的棉、羽绒和针织面料。在34°C至200°C的宽温度范围内，该织物始终保持着最大的温差。
在实际人体隔热测试中，研究者将0.9毫米厚的CAF-10DBH织物制成毛衣，让志愿者在零下20°C、湿度40%的人工气候室中穿着10分钟。红外成像显示，该定制服装呈现蓝色，胸部温度为0.3°C，腹部温度为-0.5°C，表明热量损失极小。相比之下，约15毫米厚的羽绒服胸部温度为0.6°C、腹部温度为-2.1°C，而约2.5毫米厚的针织毛衣表面呈现黄色，温度显著更高。此外，将服装放置在模拟体温的40°C热源上测量热通量密度，结果显示气凝胶纤维毛衣的热通量密度为69.3瓦每平方米，与羽绒服（66.4瓦每平方米）相当，两者均优于针织毛衣。这一结果再次证实了气凝胶纤维优异的热隔热性能。
图5 | CAFs和织物的隔热性能。 a，CAFs在200°C热台上的红外图像。b，不同温度下CAFs芯层与热台之间的温差|ΔT|。c，CAFs的热导率(λ)。d，CAF-10DBH织物、棉、羽绒和针织面料放置在200°C热台上的照片（上）和红外热像（下）。e，上述四种材料放置在200°C热台上时温度随时间的变化曲线。f，上述四种材料在不同温度热台上的温差。g，志愿者穿着商用针织毛衣、羽绒服和由CAF-10%DBH织物定制的服装的照片。h，在零下20°C下测得的相应红外图像。所有误差线表示平均值±标准差，重复次数n=3。
总结与展望
综上所述，研究团队受企鹅羽毛启发，利用芳纶纳米纤维的发散自组装行为，成功制备了皮芯结构的气凝胶纤维。外壳在酸中通过再质子化诱导的氢键形成高度有序的层状结构，赋予纤维高机械强度；芯层则通过共价交联与静电排斥的热力学相互作用形成蜂窝结构，兼具大孔和纳米孔壁，提供了优异的柔软性。高强度与高柔软性在单一气凝胶材料中的集成——这一组合此前鲜有报道——使这些纤维特别适用于纺织品应用。将气凝胶纤维进一步织造成织物后，其表现出优异的热隔热性能，0.9毫米厚的毛衣在隔热性能上优于2.5毫米厚的针织毛衣和15毫米厚的羽绒服等更厚的商用产品。这些结果确立了蜂窝气凝胶纺织品作为下一代柔软且热防护服装的有力候选材料。研究团队还展望，该气凝胶中的蜂窝结构及其调控分子自组装的方法可以推广到其他材料体系，包括但不限于弹性体、泡沫、金属和混凝土，从而有望突破高强度/高刚性与高柔软性/高柔韧性之间的权衡难题。
