清华大学最新Nature Sustainability：仿生纳米纤维性能超越天然鹅绒！

　　在全球能源紧张与环保需求日益迫切的今天，羽绒等传统保温材料面临可持续性挑战。

　　羽绒采集不仅依赖大规模养殖水禽，造成环境污染和动物福利问题，而且其生产过程中的能耗、水耗巨大，亟需绿色替代方案

　　。而高性能人工仿生保温材料，尤其具备可持续性和高效隔热性能的纳米纤维结构材料，正成为新一代热防护服装的突破口。

　　开发出一种基于“网格诱导均匀湍流纺丝系统”（GHTS）的高曲率纳米纤维（HCNFs）

　　采用这种纤维制成的服装在穿着舒适性、轻便性、透气性、保暖性和湿气排出能力等方面表现出色，其孔隙率高达约99.60%。在0℃环境下，这种服装的保暖性能（以CLO值衡量）达到0.31 CLO/mm，是850蓬松度鹅绒服装的两倍（仅为0.15 CLO/mm）。

　　由聚乙烯醇缩丁醛制成的HCNFs在14项环保指标上均优于鹅绒，其中8项指标的环境负担甚至不到鹅绒的5%

　　。这项研究不仅展示了高曲率纳米纤维的显著优势，也提供了一种性能更强、更加环保的新型替代材料，具有广泛的市场应用潜力。

　　从仿生角度出发，借鉴安哥拉山羊等自然界毛发高曲率结构，提出了一种无需针头、借助湍流形成高曲率纳米纤维的新型工艺。

　　通过GHTS装置高速气流与旋转滚筒的协同作用，纤维在形成过程中受到湍流涡旋的强烈扰动，形成复杂卷曲的三维结构

　　（图1a-d）。这些纤维的曲率平均可达123°，最大达到450°，远高于传统静电纺丝和

　　（图1e），表现出显著的多方向卷曲特征，有效提高孔隙率和蓬松性。更令人振奋的是，GHTS系统对乙缩醛

　　丁醇缩醛（PVB）体系表现出极高的适配性，不仅能有效回收溶剂乙醇，减少环境污染，其生命周期评估（LCA）数据显示在14个生态指标中，有8个HCNFs仅为羽绒的5%以下（图1e）。其中在水耗、土地占用、致癌毒性等方面表现尤为突出，充分体现了HCNFs的环保潜力。

　　在纤维制造层面，GHTS通过多孔网格诱导湍流结构，有效增强纤维折叠和卷曲效果（图2a-c）。高倍扫描电镜和流场模拟揭示了

　　多排孔道阵列诱发更强的紊流动能，使纤维卷曲更剧烈、尺寸更小（图2d-f）

　　品类（图2g-i），为不同应用场景提供了广阔的材料基础。值得一提的是，

　　该系统制备效率远超传统技术。单孔每小时可产出1.3–11.4克卷曲纤维，总产率高达300克（图2d,g）

　　的孔径和纤维直径有效缩短热传导路径，提高隔热性能。这些HCNFs不仅结构松散、蓬松度高，还展现出优异的力学性能和变形恢复能力，显示出卓越的服用稳定性。

　　纤维（45.20），且在99.60%超高孔隙率条件下依然保持结构稳定（图3c,d）

　　。构建的纤维卷曲度-孔隙率模型（CNPM）和热导率模拟模型（SFBM）共同证实了结构对热性能的提升机制——纤维卷曲增强了热传导路径的复杂性，有效阻断热量转移。

　　研究还表明，HCNFs在低温和反复压缩环境下依然维持稳定形貌和功能性，SEM图像和加载测试曲线显示其形状记忆性极强，20次压缩循环后仍能保持完整回弹（图3e）。在80%应变下，HCNFs承压高达276.45 kPa，远高于鹅绒和羊毛材料（图3e）。

　　填充HCNFs的8.90毫米厚服装，在保暖性上可媲美厚度近两倍的高蓬松度羽绒服（图4b）。在剧烈运动条件下，穿着者心率维持在相对安全区间（图4f），而鹅绒服饰则诱发过高的心率，表明HCNFs服装在

　　此外，HCNFs服装展现出极佳的防水与透气性（图4g）。其水接触角超过135°，远超一般合成材料。手套在冰水中实验表明，HCNFs内温下降不足25%，湿气排出效率大幅优于羽绒和棉服材料。在

　　中，HCNFs服装能在两小时内保持干燥，而对比组则胸前区域被汗液浸湿（图4g）。最后，研究采用热人模实验对三种服装的CLO值进行评估，

　　。在多维性能对比图中，HCNFs在舒适性、经济性、安全性、环保性等六大指标中全面领先（图4i,j）。

　　该研究创新性地开发出一种源于自然、优于自然的高性能保温纤维材料，打破了传统羽绒在高端保暖领域的垄断，开启了可持续服装材料的新纪元

　　材料回收，推动HCNFs走向规模化、智能化生产，并拓展其在过滤、催化、海水淡化和止血材料等多领域的应用潜力。

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