在零下20℃的嚴寒中，只需要光照50秒，衣物表面溫度就能迅速升溫超過20℃；即使反復洗滌摩擦，儲熱性能依然穩定；甚至能實現精準控溫，用于局部熱敷理療……這些過去依賴復雜電子設備才能實現的“智能保暖”功能，未來可能僅僅需要一塊織物就能輕松完成。
近日，天津大學材料科學與工程學院教授封偉團隊受鹽堿地植物“吸鹽-泌鹽”機制啟發，成功研發出一種兼具高效光熱轉換與優異力學性能的分子太陽能熱（MOST）織物，從而為下一代可穿戴熱管理技術開辟了全新路徑。
相關研究成果已發表于國際材料學頂尖期刊《先進材料》。
不可兼得的性能
長期以來，人們在寒冷環境下的個人熱管理方式主要依靠外部供能，比如依靠火堆取暖，或利用某些植入衣物內部的發熱器件等。但不論哪種方式，都需要外部熱量的大量輸入，這就帶來一個弊端——不管是為發熱器件供電的電池，還是原始的火堆、火把，都十分笨重，很不利于攜帶。
因此，人們一直期盼將發熱設備微型化，而最好的微型化方式便是讓組成衣物的織物可以直接利用太陽輻射提升自身溫度。
“這種織物在現實中是存在的，即所謂的‘MOST織物’。”封偉告訴《中國科學報》，簡單的說，這種織物就是將某些能根據不同光波照射而儲熱和放熱的MOST分子材料（比如偶氮苯材料）結合在織物表面，從而使織物產生自動吸熱和升溫的效果。
這樣的方式看似簡單，實則有很多難以克服的弊端。
“比如，傳統方式很難將MOST材料與織物纖維做很緊密的結合，MOST分子很容易從織物纖維上脫落，導致相關織物的耐用性很差，這也是人們在相關研發過程中面臨的最大難題。”該研究的第一作者、封偉的博士研究生王碩說。
此外，在傳統方式下，MOST分子在織物表面往往會聚集成比較大的塊狀，這一方面會進一步降低織物的耐用性，另一方面也會減少了分子與陽光的接觸面積，影響織物的升溫效果。
“總之，如何讓MOST織物的力學及熱管理性能協同提升，一直是個人熱管理領域的核心難題。”封偉說，目前的MOST織物往往面臨優異光熱性能與力學性能不可兼得的問題，解決這一難題對節能減排、提升醫療理療便捷性都具有重要意義。
正是在這方面，封偉團隊取得了突破性研究成果。
來自植物的靈感
讓很多人想不到的是，封偉團隊成果的最初靈感來源，竟然是一種名不見經傳的植物——中亞濱藜。
作為是一種常見的一年生草本植物，中亞濱藜在我國的東北、華北以及西北部地區均有所分布。相比于其他植物，該植物有一個很大的特點，即具有很強的耐鹽堿性，可以很好地適應鹽堿環境。
“中亞濱藜之所以能適應高鹽環境，依靠的是一套‘溶脹吸收鹽分—去溶脹泌鹽結晶’的動態循環系統。”王碩解釋說，該植物的細胞中存在一種被稱為“鹽囊泡”的組織，鹽囊泡細胞體積較大，其內部含有大量液泡。這些液泡可以在富含鹽分的水分子進入其中后，將大部分鹽分“封存”起來，從而確保植物體內的鹽分濃度不會過高。
當液泡內的鹽分達到一定濃度后，鹽囊泡細胞便會從組織中脫離，并在植物表皮破裂。在此過程中，液泡中的鹽分便會以結晶的形式附著在表皮上，并最終回歸自然。
正是這套排鹽機制給了封偉團隊以研究靈感。
“我們模擬了這一套‘流程’。”封偉說，他們先是將由熱塑性聚氨酯制成的中空氣凝膠纖維作為基材，將其浸泡在含有偶氮苯等MOST分子的溶液中“腌漬”，以模擬植物液泡在水中“鎖”住鹽分的過程。
當纖維充分吸收溶液并膨脹后，研究人員再對其進行干燥處理。此時，偶氮苯分子就會如同液泡在植物表皮干癟、破裂的時一樣，從纖維內部分泌出，并在纖維表面形成一層均勻、致密的晶體“外衣”——偶氮苯單晶層。
研究發現，在溶液揮發、偶氮苯分子結晶的過程中，織物的纖維表面會產生一定的褶皺結構。這種結構可以為偶氮苯分子的結晶提供穩定的成核位點，使其不至于形成大塊結晶，而是以單個晶體的形式，牢固地吸附在纖維表面。
同時，在織物在進行觸碰或摩擦時，這種結構也使得摩擦主要發生在褶皺的凸起部分。至于那些深藏的褶皺內部，僅有兩三微米大小的偶氮苯結晶，則幾乎不會受到影響。
“總之，單個結晶會大幅增加MOST材料與陽光的接觸面積，顯著提升器光熱性能；褶皺組織使得MOST材料與織物的結合度可以顯著提升，從而優化了其力學性能。”封偉說。
熱管理織物的性能突破
實驗顯示，通過這種方式制成的新型織物，在420納米藍光的照射下，可以在70秒內升溫25.5℃，即使在零下20℃的低溫模擬日光中，也可以在50秒內升溫超過20℃；在耐用性方面，該織物在經過50次摩擦、500次拉伸彎曲，甚至72小時的連續洗滌后，其光熱性能保留率仍超90%，從而成功克服了傳統MOST材料易脫落、壽命短的問題。
此外，該織物還能通過調節光照強度，實現對釋熱溫度的精準控制。這使其既可用于日常保暖，也可作為便攜理療載體，為關節炎等患者提供局部熱敷。
“這項研究的核心是將自然界生物的自適應機制，轉化成為材料的性能調控策略。”封偉說，該設計不僅為MOST織物的大規模制備提供了新方法，更實現了熱管理織物的性能突破。
目前，相關技術的研究已經告一段落，但仍有一些問題尚待解決。比如王碩便在受訪時表示，目前結晶于織物表面的MOST分子仍與外部空氣直接接觸，這導致其很多熱量會釋放到空氣中。“我們下一步將嘗試在織物表面覆蓋一層可以隔絕空氣的透明保溫材料。如此，織物的升溫、保溫性能將再次得到提升。”
對此，封偉表示，相關研究成果可以應用在智能服裝、醫療理療器械、戶外防護裝備等諸多領域，推動個人熱管理從“依賴外部供能”向“高效利用太陽能”轉型升級。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202514043
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