图1. GHT对HCNF服装形成的机制及可持续性。a. 在GHTS系统中，高速气流冲击纺丝溶液膜，使其破裂并在网格壁形成纺丝核心。网格壁诱导的GHT加速溶剂蒸发，增加纤维振荡、卷曲和折叠，实现HCNFs的大规模生产。 b, c. GHT涡结构的CFD结果（b）和以Q准则着色的流向截面涡结构（c），显示丰富、微小且随机的涡（Q>0代表涡区）。 d. 由涡对（Taylor-Green涡模型）诱导的纳米纤维随时间（t）的演变。 e. LCA核算结果表明，HCNFs在资源消耗（水资源消耗、土地利用）、人类健康（细颗粒物形成、人类致癌毒性和非致癌毒性）和生态系统安全（陆地酸化和淡水富营养化）等关键指标上均优于羽绒。
在纤维制造层面，GHTS通过多孔网格诱导湍流结构，有效增强纤维折叠和卷曲效果（图2a-c）。高倍扫描电镜和流场模拟揭示了多排孔道阵列诱发更强的紊流动能，使纤维卷曲更剧烈、尺寸更小（图2d-f）。在此基础上，制备出近20种不同高曲率纳米纤维，覆盖聚合物、陶瓷和碳材料体系，并通过加热处理拓展至耐高温品类（图2g-i），为不同应用场景提供了广阔的材料基础。值得一提的是，该系统制备效率远超传统技术。单孔每小时可产出1.3–11.4克卷曲纤维，总产率高达300克（图2d, g）。更小的孔径和纤维直径有效缩短热传导路径，提高隔热性能。这些HCNFs不仅结构松散、蓬松度高，还展现出优异的力学性能和变形恢复能力，显示出卓越的服用稳定性。
图2. GHTS装置通过湍流诱导生成卷曲纳米纤维。a. GHTS装置示意图，展示作为气流通道和纺丝溶液储存器的多孔网格阵列。随着滚筒旋转，纺丝溶液被连续送入高速气流中，并通过网格孔阵列喷射，实现HCNFs的高效生产。 b. GHT形成示意图。 c. GHTS装置大规模生产HCNFs的示意图。 d. 高速摄像图像展示GHTS系统制备的HCNFs。比例尺：20 mm。 e. GHTS系统生产的HCNFs的SEM图像。比例尺：20 μm。 f. CFD模拟结果展示GHT下的气流速度和纳米纤维卷曲。 g. GHTS（上）和SBS（下）系统在相同能耗下的纺丝溶液射流形成，凸显GHTS系统无针操作和高效率的优势。比例尺：5 mm。 h, i. 可视化展示层流通过半旋转滚筒（h）和高密度多孔网格障碍物后转变为湍流（i）。比例尺：1 cm。
高曲率纳米纤维的热性能方面同样表现惊艳（图3a）。其热导率仅为27.60 mWm⁻¹K⁻¹，显著低于传统保温材料如安哥拉羊毛（29.98）和电纺平直纤维（45.20），且在99.60%超高孔隙率条件下依然保持结构稳定（图3c, d）。构建的纤维卷曲度-孔隙率模型（CNPM）和热导率模拟模型（SFBM）共同证实了结构对热性能的提升机制 - 纤维卷曲增强了热传导路径的复杂性，有效阻断热量转移。研究还表明，HCNFs在低温和反复压缩环境下依然维持稳定形貌和功能性，SEM图像和加载测试曲线显示其形状记忆性极强，20次压缩循环后仍能保持完整回弹（图3e）。在80%应变下，HCNFs承压高达276.45 kPa，远高于鹅绒和羊毛材料（图3e）。
图3. 纳米纤维的高卷曲性。a. 高度卷曲纳米纤维材料的导热性和堆积密度对比图，插图为相同重量（5 g）材料的体积对比。 b. HCNFs卷曲角（α）的测量方法框架，展示每20 μm纤维方向向量的弯曲角度。 c. 基于圆堆积理论建模的材料孔隙率与HCNFs平均卷曲角的关系。 d. 安哥拉山羊毛、鹅绒和HCNFs的X射线纳米CT三维结构渲染图，孔隙率分别为97.76%、99.41%和99.60%。 e. 安哥拉山羊毛、鹅绒和PVB-HCNFs的单轴加载-卸载压缩试验应力-应变曲线。 f. 通过抑制热传导、辐射和对流，HCNFs有效阻止热量从高温区（红色）向低温区（蓝色）流失。 g. 基于SFBM模型估算的不同压力条件下HCNFs密度与导热性的关系。
将HCNFs应用于服装填充材料后，研究团队在中国漠河（−28°C）及雪暴等极寒环境中进行实地测试（图4a）。实验证明，填充HCNFs的8.90毫米厚服装，在保暖性上可媲美厚度近两倍的高蓬松度羽绒服（图4b）。在剧烈运动条件下，穿着者心率维持在相对安全区间（图4f），而鹅绒服饰则诱发过高的心率，表明HCNFs服装在极寒场景下更为安全可靠。此外，HCNFs服装展现出极佳的防水与透气性（图4g）。其水接触角超过135°，远超一般合成材料。手套在冰水中实验表明，HCNFs内温下降不足25%，湿气排出效率大幅优于羽绒和棉服材料。在仿汗环境中，HCNFs服装能在两小时内保持干燥，而对比组则胸前区域被汗液浸湿（图4g）。最后，研究采用热人模实验对三种服装的CLO值进行评估，结果显示HCNFs服装在0°C下CLO值高达2.77，厚度仅为鹅绒服的一半，其单位厚度保暖能力是后者的两倍以上（图4h）。在多维性能对比图中，HCNFs在舒适性、经济性、安全性、环保性等六大指标中全面领先（图4i, j）。
图4. 超保暖纳米纤维服装。a. 高纬度地区（53.5° N）约-28°C环境下穿着HCNF服装的光学图像（插图为红外热成像图）。 b. 约-20°C环境下，嵌入温度传感器的8.90 mm厚HCNF服装、9.00 mm厚棉服和18.45 mm厚850蓬松度鹅绒服装的体温变化。 c. 使用出汗假人法（左）和实际雪暴环境试验（右）评估HCNF服装的保暖性。 d. 约-10°C雪暴条件下穿着HCNF服装的红外热成像图。 e. 参与者在-10°C雪暴条件下穿着HCNF服装进行跑步和抬腿运动的记录。 f. 穿着高品质鹅绒和HCNF服装的个体运动后心率变化分析。 g. 不同保暖服装在汗液浸泡实验中的防水性评估。 h. HCNF服装衬里的透湿性和透气性性能评估。 i, j. 鹅绒（i）和HCNF（j）服装的六维性能对比图。
总之，该研究提出了一种通过GHT大规模生产纳米纤维的可持续策略，成功制备出具有优异隔热性能的HCNFs。与扁平纳米纤维相比，HCNFs的显著卷曲微观结构提升了其蓬松性和孔隙率，从而具有优异的透气性、透湿性、可调密度和保暖性能。通过避免动物养殖、拔毛和宰杀以及后续清洁、消毒和除臭等过程，HCNFs在成本、舒适性、可持续性和安全性方面均优于传统鹅绒和鸭绒，这些特性对环保纺织品开发至关重要。LCA表明，GHTS系统生产的HCNFs在8项关键指标上的环境影响仅为传统羽绒的5%以下，凸显了显著的生态优势。这些结果证明了HCNFs在推动下一代高性能可持续隔热材料发展中的巨大潜力。此外，其高孔隙率和曲折性使其在服装以外的领域（如过滤、催化、海水淡化和生物医学止血）具有多功能应用前景。未来，将先进AI技术整合到生产过程中有望进一步提升效率、可回收性和成本控制，为这一仿生材料平台的智能化、规模化部署铺平道路。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41893-025-01604-x
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