近日，江南大學紡織科學與工程學院/針織技術(shù)教育部工程研究中心馬丕波教授與北京大學張錦院士團隊邵元龍研究員、蘇州大學程濤教授等團隊合作，在高性能氣凝膠纖維領域取得重要突破，于國際頂級期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Knittable, thermally insulating, and sustainable aerogel fibers enabled by ion-mediated hierarchical assembly”的研究論文。北京大學肖剛博士、江南大學針織中心2023級博士研究生馬曉濤與蘇州大學博士研究生麻冰云為論文共同第一作者；江南大學馬丕波教授、北京大學張錦院士/邵元龍?zhí)仄秆芯繂T與蘇州大學程濤教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目資助支持。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69790-6
1.文字概述
在極端天氣頻發(fā)與“雙碳”戰(zhàn)略推動綠色低碳生活的雙重背景下，高性能隔熱纖維材料的重要性日益凸顯。氣凝膠纖維因其超低導熱系數(shù)，被譽為“超級隔熱材料”，將其制成服裝制品無疑是提升保暖性能的理想路徑。而針織作為保暖服裝的主流織造方式，其優(yōu)勢早已被廣泛認知：針織結(jié)構(gòu)能有效“鎖住”靜止空氣，蓬松度越高、厚度越大，隔熱效果越顯著。然而，將氣凝膠纖維與針織工藝相結(jié)合卻面臨一道難以逾越的屏障——追求隔熱所必需的高孔隙率，往往以犧牲機械強度為代價，導致纖維難以承受工業(yè)化針織加工的嚴苛考驗：當紗線被織針快速彎成線圈時，極易發(fā)生斷裂。盡管研究人員通過強韌化設計使纖維強度滿足了手工編織的要求，但仍不足以應對現(xiàn)代針織工程的復雜工況。
針對這一挑戰(zhàn)，本研究提出了一種針對氣凝膠纖維的離子介導庫侖衰減組裝策略。研究團隊以可回收的雜環(huán)芳綸纖維為原料，在KOH/DMSO超堿體系中將其剝離為直徑僅3.4 nm的超細芳綸納米纖維。通過精確調(diào)控質(zhì)子濃度，逐步中和納米纖維表面的負電荷，觸發(fā)其兩步協(xié)同組裝：首先橫向聚集成束，隨后進一步融合成熟，最終構(gòu)建出具有“致密納米孔芯層+大孔蜂窩狀殼層”的雙尺度分級結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維。該結(jié)構(gòu)通過芯層sub-50 nm孔隙的克努森效應抑制氣體導熱，同時利用殼層微米級孔洞實現(xiàn)拉伸過程中的應力分散，使纖維兼具高強度與超隔熱性能。實驗表明，該纖維拉伸強度高達83.1 MPa，導熱系數(shù)低至22.0 mW·m-1·K-1，由50根單絲組成的紗線斷裂載荷超過12.0 N，完全滿足針織電腦橫機3.4-5.0 N的上機張力要求。在針織驗證方面，團隊采用單面集圈組織成功實現(xiàn)氣凝膠纖維絲束的規(guī)模化織造，并縫制成完整背心。在0°C環(huán)境艙中，該氣凝膠纖維織物較棉纖維制品，實現(xiàn)外表面高達5.1°C保暖溫差；在北京冬季戶外實測中（-2.2°C，風速3 km/h），其外表面溫度較棉側(cè)低3°C以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的實際保暖性能。
這項研究通過動力學控制的酸觸發(fā)組裝策略，成功將離子介導組裝、多級孔隙調(diào)控與針織結(jié)構(gòu)可加工性進行系統(tǒng)性整合，從根本上打破了隔熱性能與力學強度之間的經(jīng)典權(quán)衡，為開發(fā)下一代高性能隔熱紡織品提供了創(chuàng)新性的解決方案。該技術(shù)不僅在個人熱管理領域具有突破性意義，同時其從廢棄芳綸纖維到功能成衣的閉環(huán)制造流程，為紡織行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展開辟了新路徑，標志著氣凝膠纖維向工業(yè)化應用邁出了關(guān)鍵一步。
2.圖文導讀
圖1雜環(huán)芳綸氣凝膠纖維的分級結(jié)構(gòu)調(diào)控機制與規(guī)模化制備展示
圖2 分級結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維的微觀結(jié)構(gòu)展示與熱力學性能對比
圖3 雜環(huán)芳綸氣凝膠纖維針織服裝的一體成形設計與熱管理性能對比