一、研究背景

气凝胶凭借超高孔隙率、极低热导率，是公认的理想轻质隔热材料，但力学强度与柔软度难以兼顾一直是制约其走向实用的核心痛点：

提升拉伸强度通常会让材料变硬、失去柔性，无法满足纺织品贴合皮肤、舒适穿戴的需求；
传统纤维隔热材料则普遍存在厚度大、笨重、保暖效率低的问题。

自然界中的企鹅羽毛完美破解了这一矛盾：外层致密的角蛋白鞘提供高抗拉强度，内部蜂窝状多孔结构赋予柔软性与缓冲能力，协同实现抗冲击、锁温保暖与穿戴舒适。

受此生物结构启发，研究团队以芳纶纳米纤维（ANFs）为构筑基元，通过精准调控共价键与非共价键的协同作用，构建出“刚壳软芯” 的蜂窝结构气凝胶纤维（CAFs），首次在单根纤维中同时实现高拉伸强度、超低弯曲/压缩刚度与优异隔热性能。

二、核心创新点

1. 仿生核-蜂窝层级结构：复刻企鹅羽毛 “致密外壳+多孔蜂窝芯” 的设计，外壳承担轴向拉伸载荷，蜂窝芯实现侧向柔软变形，从结构上解耦了拉伸强度与柔软度的固有矛盾。

2. 交联调控自组装策略：引入二溴烷烃交联剂，通过共价交联牵引与静电排斥的热力学平衡，诱导ANF自发形成“微米大孔+纳米孔壁”的多级蜂窝结构。

3. 两步凝固连续湿纺：甲酸浴快速成型致密层状外壳，水浴缓慢组装内部蜂窝芯，一步纺丝直接得到核壳结构纤维，工艺可连续化、规模化放大。

4. 隔热性能突破：仅0.9mm厚的气凝胶织物，保暖效果超过2.5mm厚商用毛衣与15mm厚羽绒服，实现 “超薄超保暖”。

三、制备方法

1. 原料制备

以商用凯夫拉纤维为原料，通过KOH/DMSO/H₂O体系进行去质子化剥离，得到均匀分散的芳纶纳米纤维（ANF）溶胶。

2. 完整制备工艺流程

预交联调控：向ANF溶胶中加入1,6-二溴己烷（DBH）等二溴交联剂，反应约2min，使部分酰胺阴离子发生共价交联，预调控后续组装行为。

两步凝固湿法纺丝：第一浴（甲酸凝固浴）：挤出的纤维表层ANF快速质子化，通过氢键高度取向堆叠，形成致密有序的层状刚性外壳；第二浴（去离子水浴）：纤维内部ANF缓慢质子化，在交联点的作用下自组装成蜂窝状多孔芯结构。

后处理：水中熟化固化→叔丁醇溶剂置换→冷冻干燥，最终得到蜂窝结构气凝胶纤维（CAFs）。

3. 结构形成机制

无交联剂时，ANF在水中质子化后形成均一的纳米孔网络；加入二溴交联剂后，交联位点将纤维链局部拉近，未反应区域因静电排斥相互撑开，自发形成“微米级大孔+纳米级孔壁”的蜂窝形貌；酸浴的快速质子化作用，使表层ANF沿纤维轴向高度堆叠，形成力学增强的致密外壳。

四、性能特点

1. 结构精准可调

通过改变交联剂用量（6~14mol%）和碳链长度（4~10个碳），可系统调控孔结构与纤维尺寸：

蜂窝大孔尺寸：0.7~6.1μm连续可调；

孔壁纳米孔尺寸：10.3~464.8nm可控；

纤维直径：504~741μm可通过纺丝参数调控。

2. 力学性能：刚柔并济，打破传统权衡

高拉伸强度：最优样品CAF-14DBH拉伸强度达74.6MPa，断裂伸长率38.1%，性能优于绝大多数已报道的气凝胶材料；致密层状外壳是强度的主要来源。

超柔软特性：70%弯曲应变下弯曲应力仅33.8kPa，25%压缩应变下压缩应力仅39.8kPa；压缩应力比传统高强聚酰亚胺气凝胶低约45倍，处于目前已报道气凝胶的最低水平区间。

耐疲劳性能：100次弯曲/压缩循环后，应力与微观结构基本保持稳定，回弹性能优异。

变形机制：蜂窝结构受压时大孔优先发生形变，分散应力，赋予材料极低的变形阻力；致密外壳则主要承担轴向拉伸载荷，最终实现“抗拉刚、抗压强柔软”的差异化力学响应。

3. 纺织加工与环境耐受性

可织造性：纤维可打结、扭转、编织，成功织出1.5×0.45m的大面积织物，面密度仅37.0g/m²。

可染色性：阳离子、阴离子染料均可上色，色彩丰富可调。

化学稳定性：耐DMSO、THF、DMF等多种强溶剂，浸泡3个月结构与性能保持完整。

疏水耐污：本征疏水，可抵御茶水、牛奶、可乐等常见生活液体污渍。

阻燃耐热：5%热分解温度546℃，700℃残炭率45%，可短时间耐受火焰。

耐湿耐水洗：100%湿度放置24h性能无衰减；经PDMS疏水改性后，3次水洗循环后形貌与力学性能稳定。

耐候性：UV照射会导致酰胺键氧化断链，涂覆紫外线吸收剂后可有效抑制性能衰减。

4. 隔热性能：超薄更保暖

热导率：28.4~32.1mW·m⁻¹·K⁻¹，且湿度变化对热导率影响极小。

织物平板隔热：0.9mm厚CAF织物置于200℃热台，表面与热台温差达72.8℃，隔热效果优于同厚度的棉、羽绒、针织物。

真人穿戴测试：-20℃低温环境中，0.9mm厚CAF毛衣胸部温度0.3℃，保暖效果媲美15mm厚羽绒服，远优于2.5mm针织毛衣；模拟人体体温40℃时，CAF 毛衣表面热流密度69.3W/m²，与羽绒服相当，显著优于普通针织衫。

五、应用领域

1. 下一代轻量化保暖纺织品：超薄防寒服、户外功能服装、智能调温织物，替代传统厚重保暖材料。

2. 极端环境防护装备：低温作业、消防、航天领域的柔性隔热防护材料。3. 交通工具内饰：汽车、高铁、航空器的轻量化隔热内饰材料。

4. 方法学拓展：该蜂窝结构设计与交联调控自组装策略，可推广到弹性体、泡沫、金属等其他材料体系，为破解“强度-柔软度”权衡难题提供通用思路。

六、结论与展望

这项工作受企鹅羽毛的生物结构启发，通过交联调控自组装与两步凝固湿纺技术，成功构建了 “刚壳软芯” 的蜂窝结构气凝胶纤维，打破了气凝胶领域 “高强度必僵硬” 的固有瓶颈，同时实现了优异的隔热性能与纺织加工性。超薄织物媲美厚羽绒服的保暖效果，为下一代轻量化、舒适化智能保暖纺织品提供了全新的材料解决方案。

图文解析

图1. 仿生蜂窝气凝胶纤维的设计与制备。

图2. ANF的动态交联与自组装结构演变。

图3. CAFs的制备、结构与纺织性能。

图4. CAFs的力学性能与柔性机制。

图5. CAFs及织物的隔热性能。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71723-2

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