气凝胶优势：超低密度、高孔隙率，导热系数极低，是理想隔热材料。
关键矛盾：气凝胶多孔结构导致力学强度差，高强度提升常牺牲柔软性，限制纺织品应用。
仿生灵感：企鹅羽毛的致密角蛋白鞘 + 多尺度多孔核结构，兼具高强度、抗冲击、保暖与柔软性，为设计提供模板。
二、主要内容
近期，天津工业大学庄旭品教授与瑞士洛桑联邦理工学院马友伟博士团队，受企鹅羽毛的启发，通过在湿纺过程中精确调控共价键与非共价键相互作用，将芳纶纳米纤维（ANFs）组装成具有分级结构的气凝胶纤维。该工艺首先对去质子化的芳纶纳米纤维溶胶进行交联，形成多孔细胞结构，随后通过酸诱导凝胶化，借助氢键形成刚性外壳。该外壳赋予纤维高达74.6MPa的高拉伸强度，而多孔芯层则使其具备优异的柔软性，弯曲应力和压缩应力分别低至33.8kPa和39.8kPa。
该工艺具有可规模化特点，可制备兼具染色性、疏水性、阻燃性、耐湿性和耐化学性的大型织物。该织物展现出良好的隔热性能，0.9mm厚的样品隔热效果优于厚度大得多的商业产品，包括2.5mm厚的毛衣和15mm厚的夹克。相关研究内容以“Bio-inspired cellular aerogel fibers integrating high mechanical strength and softness for thermal insulation textiles”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。
图 1 仿生蜂窝气凝胶纤维的设计与制备a. 企鹅羽毛与本研究仿生蜂窝气凝胶纤维（CAFs）的多级结构示意图。b. 制备 CAFs 的湿法纺丝工艺，以及芳纶纳米纤维（ANFs）与二溴交联剂混合物在酸性、水相环境中的自组装过程示意图。
三、核壳结构蜂窝气凝胶纤维（CAFs）的制备
企鹅羽毛为设计提供了仿生灵感：其致密角蛋白鞘包裹多尺度孔隙蜂窝内核，鞘层提供高强抗冲击性，内核实现保暖与柔韧。受此启发，本研究选用芳纶纳米纤维（ANFs）为构筑基元复刻该结构。芳纶纳米纤维因重复单元间的 π-π 堆积与氢键作用，呈高度有序排列；经碱脱质子后，酰胺氮转化为酰胺阴离子，静电排斥破坏有序结构；强酸再质子化可快速恢复链间氢键，使纤维重新堆叠，而水则稳定无序态形成多孔网络。芳纶纳米纤维在酸、水中的差异化再质子化行为，为构建企鹅羽毛式核壳结构提供了可能。但水诱导再质子化易形成孔径正态分布的多孔结构，会削弱柔韧性。
为解决该问题，本研究通过引入少量二溴化合物，与酰胺阴离子反应形成交联键：交联区域受拉力作用，未反应区域保持静电排斥，精准调控脱质子化芳纶纳米纤维在水中的自组装，形成蜂窝结构（细胞壁含纳米孔）。基于此，本研究开发湿法纺丝工艺：
先将凯夫拉纤维脱质子制备芳纶纳米纤维溶胶，加入二溴交联剂
经 800μm喷丝头挤出，依次通过酸浴（形成刚性外壳）、水浴（生成蜂窝内核）
最终制备核壳结构蜂窝气凝胶纤维（CAFs）。
该纤维兼具高强、柔韧、隔热特性，所织织物隔热性能远超商用厚款织物，为高性能隔热纺织品提供新方向。
图 2 芳纶纳米纤维（ANFs）的动态交联与自组装结构演变。a. 不同反应时间（如图所示）下，ANFs 与 DBH 混合物的原位傅里叶变换红外光谱；b. 扫描电镜图像；c. ζ 电位；d. ANFs 与 DBH 组装行为的粗粒度分子动力学模拟，快照分别取自初始状态（左）、200 万步（中）、900 万步（右）；e. 交联后的 ANFs 与 DBH 混合物在甲酸中组装的原位傅里叶变换红外光谱；f. 扫描电镜图像；g. ζ 电位；h. 层状结构（LS）、均质多孔结构（HS）与蜂窝结构（CS）的二维广角 X 射线散射图谱；i. 计算得到的取向度。
四、蜂窝气凝胶纤维及织物的柔韧性能
蜂窝气凝胶纤维柔韧性优异：可打结、扭转、弯曲而无损伤；单根直径 700μm纤维可悬挂 500 g重物不断裂；凝胶纤维可通过阳离子/阴离子染料（亚甲基蓝、甲基橙、酸性绿）染色，成品纤维色彩丰富；化学稳定性强：在二甲基亚砜、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮、二氯甲烷、二甲基乙酰胺等有机溶剂中浸泡 3 个月，尺寸无变化；即使在芳纶纳米纤维溶解液（氢氧化钾/二甲基亚砜/水）中，因共价交联网络，纤维不溶解。
图 3 蜂窝气凝胶纤维（CAFs）的制备、结构与纺织性能。a. 依次在第 225 秒加入 1,6 - 二溴己烷（DBH）、第 500 秒加入体积分数 40% 甲酸后，芳纶纳米纤维（ANFs）溶胶的时间扫描流变曲线；b、c、d. 单根 CAF 的横截面及芯部放大的SEM图像；e. 打结与扭转状态下 CAF 的 SEM 图像；f. 染色后的气凝胶纤维实物照片；g. 织机织造所得面料实物照片；h. 自立状态面料实物照片；i. 揉捏状态面料实物照片。
采用自动剑杆织机织造织物：纤维可织性优异，成功制备1.5 m ×0.45 m大面积织物，面密度 37.0 g/m2，表面无磨损、损伤；织物疏水，可抵御染色水、牛奶、可乐、茶水等日常液体污染；阻燃性强：热重分析显示 5% 热分解温度 546℃，700℃残炭率 45%；酒精灯火焰上方放置 3 秒，不燃烧、无明显焦痕；柔韧可塑形：可自由揉捏、自立成型。
图 4 蜂窝气凝胶纤维（CAFs）的力学性能与结构柔性机制。a. 均质多孔气凝胶纤维（HPAFs）与 CAF‑14DBH 的轴向拉伸应力‑应变曲线；b. 两者的弯曲应力‑应变曲线（最大弯曲应变 70%）；c. CAF‑14DBH 在70% 最大应变下连续 100 次弯曲循环曲线；d. HPAFs 与 CAF‑14DBH 的压缩应力‑应变曲线，最大压缩应变从 2.5% 逐步增至 50%（标注所示），每级应变均进行 5 次连续循环测试；e. CAF‑14DBH 在25% 压缩应变下连续 100 次压缩循环曲线；f. CAF‑14DBH 与已报道其他气凝胶材料的拉伸强度与压缩应力对比；g、i. 蜂窝结构与均质结构在压缩至 30% 应变前后的模拟应力分布云图；h、j. 对应选线上的应力分布曲线。
五、蜂窝气凝胶纤维的隔热性能
蜂窝内核的多孔结构赋予纤维优异隔热性：红外热成像显示，200℃热台上的蜂窝气凝胶纤维外壳与内核存在明显温差，内核温度更低，证实隔热效果；CAF-14DBH 内核与热台温差最小（13.8℃），CAF-10DBH 温差最大（19.8℃）；150℃、100℃下规律一致。
导热系数：蜂窝气凝胶纤维导热系数28.4–32.1 mW·m⁻¹·K⁻¹，CAF-10DBH 最低（28.4 mW・m⁻¹・K⁻¹），归因于其大孔、纳米孔尺寸均衡；湿度适应性优异：30%→90% 相对湿度，CAF-10DBH 导热系数仅 28.4→29.7 mW・m⁻¹・K⁻¹，变化极小。
织物隔热性能：0.9 mm厚 CAF-10DBH 织物置于 200℃热台，上下温差 72.8℃；同厚棉布、羽绒、针织面料温差仅 52.5–66.5℃；10 分钟持续测试，CAF 织物表面温度（127.2℃）显著低于其他材料（133.5–147.5℃）；34–200℃宽温域测试，CAF 织物温差始终最大，隔热性能全温域最优。
实际应用验证：将 0.9 mm厚 CAF-10DBH 织物制成针织衫，置于- 20℃环境舱：红外成像显示衣物呈蓝色，胸部温度 0.3℃、腹部 - 0.5℃，热量流失极少；对比 15 mm厚羽绒服（胸部 0.6℃、腹部 - 2.1℃）、2.5 mm厚针织衫（表面温度显著更高），CAF 织物保暖效果优于厚款针织衫，与羽绒服相当；40℃热源（模拟体温）测试，CAF 针织衫热流密度 69.3 W・m⁻²，与羽绒服（66.4 W・m⁻²）接近，保暖性能优异。
图 5 蜂窝气凝胶纤维（CAFs）及其织物的隔热性能。a. 置于 200 ℃热台上的 CAFs 红外图像；b. 不同温度下，CAFs 芯部与热台之间的温差 |ΔT|；c. CAFs 的导热系数（λ）；d. CAF‑10DBH 织物、棉布、羽绒及针织面料置于 200 ℃热台上的实物照片（上图）与红外热成像图（下图）；e. 上述材料温度随时间的变化曲线；f. 不同温度条件下的测试结果；g. 志愿者穿着相关衣物的照片。
六、讨论
本研究受企鹅羽毛启发，利用芳纶纳米纤维差异化自组装行为，成功制备核壳结构蜂窝气凝胶纤维：
刚性外壳：酸浴诱导氢键重构，芳纶纳米纤维高度有序层状堆叠，提供74.6 MPa 超高拉伸强度；
蜂窝内核：共价交联与静电排斥协同，形成微米级大孔 + 纳米级孔壁蜂窝结构，受力时应力分散，实现33.8 kPa 超低弯曲应力、39.8 kPa 超低压缩应力；
性能突破：首次同步实现高强与超柔（气凝胶领域长期矛盾），适配纺织品应用；
隔热优势：0.9 mm厚织物隔热性能碾压 2.5 mm针织衫、15 mm羽绒服，实现轻量化 + 强保暖；
应用价值：可规模化制备、可织造、耐候性强，为高性能保暖纺织品、防护装备提供核心材料；
方法拓展：提出交联调控仿生自组装策略，可推广至弹性体、泡沫、金属、混凝土等材料体系，突破高强/刚性与柔韧/柔性的固有权衡。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71723-2
