通过离子介导的分级组装实现可编织、隔热且可持续的气凝胶纤维

薄如空气的温暖

在冬天不穿厚重层也能保持温暖，一直是户外工作者、运动员和日常通勤者的长期愿景。这项研究展示了如何将来自旧防护装备的难以回收的高性能纤维转换成一种新型超轻、可编织的材料，其保暖性能优于棉和许多常见面料。通过在纳米尺度上精心重新设计这些纤维，作者制备出气凝胶纤维——主要由空气构成的材料——既足够结实以适应工业编织，又像迷你睡袋包裹每一根纱线一样提供隔热效果。

为何常规保暖衣物有其局限

大多数衣物通过困住静止空气来保温，这能减缓体热散失。天然纤维如棉和羊毛，以及合成纤维如涤纶，都遵循这个简单规律：被困住的空气越多，通常保温性越好。但把单根纤维做得非常蓬松，通常会使其变得脆弱。气凝胶——几乎全部为空隙的固体——可以成为极佳的绝热体，但在弯曲时往往易碎或崩裂，因此很少直接用于日常纺织品。核心挑战在于将云朵般的轻盈与绳索般的韧性结合到既足够细以便编织或针织的单股纤维中。

将纤维废料转化为微小构件

团队从废弃芳纶纤维入手，既解决性能又兼顾可持续性——芳纶是用于防弹背心和耐火服等的高强材料家族。这些纤维通常紧密堆积、化学性质稳定，几乎无法回收。研究人员将切碎的废纤浸入一种特殊溶液中，该溶液能撬开分子间的强键，使纤维膨胀并剥离成宽度仅为几纳米的纳米纤维。这些超细丝带有电荷，使它们像汤里的意面一样保持分散，形成一种可重复使用的“原料汤”，可被纺成新的材料。

引导自组装形成双层纤维

为将这种纳米纤维“汤”转变为固态、可用的丝线，作者采用了类似工业制纤的湿纺工艺。当液体纺液通过微小孔洞进入酸浴时，浴中的离子逐步中和纳米纤维上的电荷。这种受控的电荷变化就像音量旋钮，调节微细丝彼此吸引的强度。起初它们保持分散；随着更多离子的到来，它们开始成束，最终锁定成连续网络。由于酸和溶剂从外向内扩散速率不同，所得纤维形成了巧妙的内部结构：外壳具有较大、类似细胞的孔隙，包裹着充满更细腻纳米多孔网络的芯层。计算机模拟和显微观察证实，这种分步组装与梯度结构既能均匀分散应力，又能形成高效的气体滞留和阻热通道。

在不牺牲强度的情况下实现超强隔热

最终得到的气凝胶纤维实现了不寻常的组合：其强度比许多早期气凝胶纤维高出约三倍，同时仍有约95%的空隙率。其热导率低至约22毫瓦每米-开尔文，远低于棉、丝、涤纶或常见芳纶织物。双尺度孔隙协同工作：比空气分子平均自由程更小的微孔抑制热传导和微小气流，而较大且封闭的胞状孔打断较大的对流并延长热流路径。与此同时，纳米纤维骨架散射传热振动，结构还可反射部分辐射热，因此所有主要的传热途径被同时削弱。

从实验室纤维到真实冬季背心

关键在于，这些蓬松纤维并非实验室奇珍。将它们束缚成多股纱后，能够承受商业针织机的拉伸和弯曲力，可制成柔软且有弹性的面料。研究人员编织了这样一种背心，一面由新型气凝胶面料构成，另一面为常规棉料。在冷箱测试和户外冬季实测中，气凝胶一侧持续使热人偶或穿着者更暖，表面温差达数摄氏度，尽管材料非常薄且轻。该材料能经受反复的极端温度循环，并可通过薄涂层保护以应对水洗和潮湿。

通向轻薄可持续保暖的新途径

通俗地说，这项工作将旧的高科技废弃纤维变成可像普通纱线那样针织的超保暖纤维。通过促使带电纳米纤维分阶段组装，作者构建出羽毛般轻、双层分级的结构，既坚韧又具有出色的隔热性能。其成果指向未来的服装与装备：在保持轻薄与柔韧的同时，提供优于许多现有面料的保暖性能，并为难以回收的材料提供第二次生命。

引用: Xiao, G., Ma, X., Ma, B. et al. Knittable, thermally insulating, and sustainable aerogel fibers enabled by ion-mediated hierarchical assembly. Nat Commun 17, 3335 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69790-6

关键词: 保温纺织品, 气凝胶纤维, 回收芳纶, 纳米纤维组装, 个体热管理