用于可扩展可穿戴热调节的超低碳纳米管增强相变纤维

让衣物帮你感到恰到好处

在炎热的夏天和寒冷的冬天保持舒适，通常意味着开足空调和暖气——这些系统消耗大量能源。该研究探索了一条不同的路径：衣物静默地吸收、存储并释放热量，帮助保持人体在舒适的温度范围内，同时大幅降低能耗。研究人员设计了可编织进日常织物的新型纤维，内部藏有一项强大的技巧：它们在短时间内熔化和固化以缓冲温度波动，同时保持强度、耐久性，并且易于大规模制造。

为什么更聪明的服装很重要

建筑在全球能源消耗和碳排放中占很大比重，因为传统的供暖和制冷系统必须将整个房间或办公室保持在均匀的温度下。个人热管理颠覆了这一思路，转而关注每个人周围那层薄薄的空气。如果衣物本身就能让穿戴者保持舒适，住宅和办公环境就可以在更宽的温度范围内运行，从而在不牺牲舒适性的前提下节省能源。相变材料——在熔化时吸热、再冻结时释放热量的物质——是这类智能纺织品的有希望候选，但现有产品常常会渗漏、易碎或储热量不足，难以实用。

从内到外构建储热纤维

作者通过从分子层面向上工程化一种新型相变纤维来解决这些问题。其核心是一种蜡状物质——正二十二烷（n-docosane），它在接近皮肤舒适的温度下熔化，并能在相变过程中储存大量热量。这种材料被紧密困于由两种常见塑料形成的三维缠结结构中，像显微级的小笼子一样。该笼子防止蜡在熔化时渗出并在重新固化时保持就位，同时仍允许其吸放热。整个混合物随后通过标准的熔融纺丝设备挤出——这与制造许多合成纤维的基本方法相同——并多次拉伸以使内部结构趋于排列，产生适合织造和缝制的长、连续纤维。

利用纳米管提升性能

该工作的一个关键洞见是仅加入极少量的碳纳米管——约千分之一的重量比——就能显著增强纤维的性能。这些发丝般细的碳筒形成疏松的内部骨架。它们作为蜡更有效结晶的起始点，从而提高材料的储热量并改善熔融-冻结循环的可重复性。同时，纳米管在纤维沿向上形成热传导通道，促进热量快速移动，并帮助周围的塑料链排布并共同承担机械载荷。原子尺度的计算机模拟揭示了原因：在超低纳米管含量时，分子与管表面有适度的粘附，形成有序、低应变的晶体和取向良好的链段；而在较高含量下，纳米管开始拥挤并阻碍运动，因此在超低负载下存在一个最佳点。

从实验室纤维走向真实世界的面料

测试表明，经过优化的纤维在储热量上可与体积更大的相变材料相媲美，同时保持高度可拉伸性和韧性——断裂前伸长可超过原长的十五倍。这些纤维的热导率相比不含纳米管的类似纤维提高了数倍，因此能快速吸收和释放热量。将它们织成面料并用标准纺织机械缝制时，产生的服装几乎不会在切割和缝合过程中受损。在模拟阳光照射下，含纳米管的面料能高效升温，然后借助内部的相变过程缓慢释放这些热量。当集成到在阳光下户外穿着的测试背心中时，这些相变服装使表面和佩戴者皮肤比普通衣物低几度；在类似高温炉的室内环境中，它们也能减缓贴身附近的热量累积。

这对日常生活意味着什么

总体而言，这项研究表明可以设计出像微型可充放热电池一样工作的衣物纤维，同时不牺牲舒适性、强度或可制造性。通过将蜡状储热核心、支撑性的塑料框架和恰到好处数量的碳纳米管组合在一起以引导材料的固化和热传导，团队创造出可以在纺织行业现有设备上生产的纤维。由这些纤维制成的面料能被动地平滑佩戴者周围的温度波动，潜在地减少对耗能供暖和制冷系统的需求。长期来看，这类智能纺织品不仅可用于日常服装，还可能用于工人和急救人员的防护装备、户外避难所，甚至在需要温和可控加热或冷却的医疗场景中发挥作用。

引用: Geng, X., Wang, Z., Xiong, F. et al. Ultralow CNT-reinforced phase-change fibers for scalable wearable thermoregulation. Nat Commun 17, 2228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x

关键词: 智能纺织品, 相变材料, 可穿戴热调节, 碳纳米管纤维, 节能服装