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仿骆驼毛纤维金属有机气凝胶通过电纺法构筑多级孔结构，实现高孔隙率（99.8%）、低密度（2.3 mg/cm3）、低热导率（23.5 mW/m·K）与超弹性（50%拉伸应变）的协同特性，为大规模制备节能热调控材料提供新途径。
魏张|王赛|苗润武|刘晓燕|赵云|徐海平|于建勇|丁斌
中国上海东华大学纺织学院纺织科学技术创新中心，邮编200051
摘要
具有轻质特性和低热导率的气凝胶材料非常适合用于热绝缘应用，但由于气凝胶的多孔结构，同时实现高热绝缘性和机械强度较为困难。本文介绍了一种受骆驼毛发分层结构启发的超轻纤维气凝胶，通过简单的静电纺丝方法直接制备出兼具热绝缘性和超弹性机械性能的材料。通过调控聚合物溶液喷射的非溶剂诱导相分离过程，制备出了具有分层孔结构和卷曲纤维交织网络的气凝胶。这种气凝胶的分层微纳结构使其具有高孔隙率（99.8%）、超轻密度（2.3 mg cm?3）和极低热导率（23.5 mW m?1 K?1）。卷曲纤维交织网络赋予气凝胶较大的可逆拉伸性（50%的拉伸应变）、高耐疲劳性（100,000次循环）、快速恢复速度（860 mm s?1）和高柔韧性。这种新型气凝胶解决了传统气凝胶材料在制备工艺和弹性方面的问题，为大规模生产节能热调节材料提供了可行的途径。
引言
随着气候变化影响的加剧和极端天气事件的频繁发生，全球能源消耗以前所未有的速度增长。据估计，到2050年，建筑用电将占总能源消耗的30% [1]、[2]、[3]。这不仅耗尽了不可再生资源，还大大增加了碳排放，导致温室效应并加剧了全球变暖 [4]、[5]、[6]。因此，迫切需要开发高效且可持续的热调节技术，以满足节能和减排的需求。气凝胶以其轻质和三维（3D）多孔特性而著称 [7]、[8]、[9]，这些特性使其成为理想的热绝缘材料，特别适用于保温、运输和能源领域 [10]、[11]、[12]。然而，由于纳米颗粒的存在，传统气凝胶存在固有的脆性问题，导致机械不稳定性和性能失效 [13]、[14]。此外，大多数报道的气凝胶冷却器采用能耗较高的制备工艺（如冷冻干燥、超临界干燥和溶剂交换），忽略了可扩展制造的需求。同时，传统气凝胶在实现高热绝缘性和优异机械性能（尤其是拉伸性）方面也存在显著挑战 [15]、[16]。因此，亟需开发一种能够同时具备轻质、优异机械性能和保温功能的简单制备方法。模仿自然结构进行热调节为开发仿生材料提供了有前景的策略。骆驼以其对沙漠极端温度的强大适应性而闻名，进化出了看似反直觉的厚实毛发来调节体温 [17]。由于沙漠地区碎石的比热容较低，白天气温升高迅速，夜间则急剧下降，导致温度波动剧烈。为了适应这种恶劣环境，骆驼进化出的多孔毛发具有重叠的褶皱结构，这是其生存的关键因素之一。在炎热的日子里，多孔毛发能够捕获大量静止空气，有效反射阳光以防止过热，同时兼具高透气性和疏水性；在寒冷的夜晚，密集分布的毛发增加了热传递路径，从而实现优异的保温效果 [18]。此外，骆驼毛发具有卷曲特性，由此制成的织物柔韧、蓬松且有弹性 [19]。
受骆驼毛发结构和功能的启发，我们利用3D静电纺丝技术一步制备出兼具优异机械性能和热绝缘性的生物仿生聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纤维超气凝胶。通过调控湿度诱导的聚合物溶液喷射相分离过程，形成了分层孔结构和卷曲气凝胶纤维交织网络。这种丰富的微纳结构使气凝胶具有高孔隙率（99.8%）、超轻密度（2.3 mg cm?3）和极低热导率（23.5 mW m?1 K?1）。依靠刚性-柔性双组分纤维和卷曲纤维交织网络，该气凝胶表现出超弹性和柔韧性，在1000次拉伸循环后仍能恢复40%的应变，具有100,000次压缩循环的耐疲劳性、快速恢复速度（860 mm s?1）、低温弹性恢复能力（-196 ℃）、180°弯曲能力和大角度扭转能力。此外，该气凝胶还具有防水、透气和阻燃等多功能特性，适用于多种应用场景。本研究强调了一种整体设计理念，通过简单高效的静电纺丝方法制备出可扩展的超气凝胶，为缓解全球能源危机和拓展节能应用提供了新的思路。
设计原理与微观结构
我们的目标是开发一种能够同时高效应对机械强度和热绝缘挑战的气凝胶材料。模仿自然结构进行热调节为开发仿生材料提供了有前景的策略。骆驼以其对极端温度的出色适应性而闻名（图1a）[20]。为了应对沙漠中的高太阳辐射和巨大的昼夜温差，它们进化出了多孔结构
结论
总之，通过简单且可扩展的3D静电纺丝技术，直接合成了一种兼具优异机械性能和高热绝缘性的生物仿生纤维超气凝胶。结合低能耗制备技术和高效热绝缘应用，有助于全面缓解全球能源危机。只需调控聚合物溶液喷射的湿度诱导相分离过程，即可实现这些目标。
实验部分
实验细节详见支持信息。作者贡献声明
魏张：撰写初稿、方法论设计、数据分析、概念化。王赛：数据分析、概念化。赵云：数据可视化、验证、监督。苗润武：数据分析。刘晓燕：监督、软件使用。丁斌：撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、项目管理、方法论设计、数据分析、资金申请。徐海平：数据验证、监督、软件使用。利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U24A2073）、上海市科学技术委员会（项目编号：24xtcx00300）、上海星辰计划（Sail计划）（项目编号：24YF2700500）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M760420和2025T180186）的支持。魏张分别于2017年和2020年在中国南京林业大学获得学士和硕士学位，目前是丁斌教授团队的博士候选人。他的主要研究方向是静电纺丝纤维气凝胶在热绝缘和节能应用方面的制备与研究。
