天津大学封伟团队AFM：受北极熊启发，双屏蔽分子太阳能热储能纤维膜实现人体热管理|储能|北极熊|天津大学|太阳能|材料|纤维膜|纳米

储得住光能，还留得住热量

近日，天津大学封伟教授团队受北极熊毛发—皮肤协同热调控机制启发，开发了双屏蔽分子太阳能热储能纤维膜（DS-MSTFM）。该材料将偶氮苯分子储能与对流、辐射双重热屏蔽相结合，既能储存光能、释放热量，又能减少热量流失，实现抗风个人热管理。

研究团队通过透明PDMS层、微结构储能纤维层与面向皮肤的银纳米片层协同设计，使器件的冷却时间常数达到未屏蔽纤维膜的约5.4倍，并在2.0 m s⁻¹气流下保持良好的热管理表现。

相关成果以“Bioinspired Dual-Shielding Molecular Solar Thermal Fibrous Membrane for Enhanced Thermal Retention and Self-Powered Wearable Sensing”为题发表于Advanced Functional Materials。论文第一作者为天津大学材料学院Shuo Wang，通讯作者为天津大学封伟教授。

受北极熊毛发—皮肤协同热调控机制启发，研究团队构建了三层协同纤维膜：

上层：透光与对流屏蔽。透明PDMS薄膜的平均透光率约为93%，与纤维膜表面的柱状凸起形成受限空气微腔，在允许光线进入的同时抑制对流散热。

中层：分子储能与释热。通过溶胀–去溶胀策略，将Azo-C6晶体负载于TPU纤维网络，实现可逆储能与释热；柱状凸起为上层薄膜提供支撑，维持空气微腔。

下层：红外辐射屏蔽。面向皮肤的银纳米片层增强中红外反射，减少辐射热损失，并兼作传感电极。

三层结构协同实现“光能进入—分子储能—热量保持”。

图1｜仿生双屏蔽纤维膜的结构设计、热调控机制与应用示意

溶胀–去溶胀：兼顾均匀负载、储能与柔性

储能分子的负载方式直接影响材料的光响应效率和机械稳定性。研究团队首先通过水辅助静电纺丝与模板辅助热压，制备具有可定制的规则柱状凸起的TPU纤维膜。

图2｜微结构纤维基底的制备

溶胀阶段，溶剂快速进入纤维网络并诱导聚合物链段松弛，为偶氮苯的引入提供通道；去溶胀阶段，随着溶剂挥发，偶氮苯逐渐结晶，在纤维表面及内部形成分布较均匀的晶体域。

优化后的MSTFM-80具有10.4 ± 0.2 kJ m-2的面储能密度。相较于粉末样品，纤维网络中的偶氮苯表现出更高的光异构化效率，最大Z异构体比例达到91.95%，暗态储能半衰期延长至26.8 h。在引入储能功能后，纤维膜仍保持良好的机械性能，拉伸强度达到15.8 MPa，断裂伸长率达到681%，为柔性可穿戴应用提供了基础。

图3｜微结构纤维基底溶胀–去溶胀负载、力学性能与储能释热行为

辐射屏蔽性能

研究团队在纤维膜背面构建银纳米片层，使材料在7–14 μm波段的平均红外反射率提升至65.11%，平均发射率降至32.97%。面向皮肤的银层如同一面“红外反射镜”，将部分人体热辐射反射回皮肤，减少辐射热损失。

图4｜银纳米片层的结构、红外光学性质及面向皮肤的辐射热调控效果

抗风热管理：双屏蔽结构有效留住热量

冷却动力学分析表明，双屏蔽结构使材料的特征冷却时间常数由33.1 s延长至177.6 s，达到对照样品的约5.4倍；综合热传递系数由13.37降至7.81 W m⁻² K⁻¹，降低41.6%，显著提升热量保持能力。

当风速由静止增至2.0 m s⁻¹时，未屏蔽MSTFM-80的光照温升由8.2 ℃降至3.5 ℃，下降约57%。相比之下，双屏蔽纤维膜表现出更好的抗风保暖效果，峰值温度比未屏蔽样品高9.1 ℃，停止光照后仍能维持更高的残余温度。

图5｜双屏蔽机制、冷却动力学、不同风速下的热响应及模拟低温佩戴测试

一膜多用：保暖与自供能感知协同集成

这张纤维膜还能将机械刺激转化为电信号。PDMS与MOST纤维层构成摩擦电接触对，银层收集电荷，柱状凸起则通过弹性压缩与恢复驱动接触—分离，使原有保温结构兼具自供能传感功能。器件既能捕捉23 mg羽毛落下的微弱冲击，也能监测脉搏、咳嗽及关节运动，并在4800次连续循环后保持稳定电压输出，实现热管理与人体信号感知的功能集成。