在全球能源紧张与智能柔性电子快速发展的背景下，如何实现高效、零能耗的温度调控成为一项关键挑战。近日，东华大学王宏志教授/瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）赵善宇研究员成功开发一种自适应温度响应型多纤维谐振器结构的智能超面料（metafabric），在无外部能耗的情况下可实现冷热环境下的自适应热调控，为面向智能穿戴和柔性电子等领域的热管理技术提供了一种新型绿色解决方案。

背景与挑战：柔性电子需要“会思考的皮肤”

  当前，全球30-40%的能源消耗用于环境加热与冷却。随着人工智能、柔性机器人及可穿戴设备的迅猛发展，智能热管理柔性材料的需求也日益增长。工作中的电子设备会产生热量，同时也暴露于复杂多变的外界温度中，过冷或过热都可能严重影响其性能和寿命。

  尽管已有很多关于被动辐射冷却薄膜或面料的研究报道，如纳米多孔聚乙烯面料、层状多孔膜等通过长波红外（LWIR）辐射实现“冷却”，但这些材料通常是单向和静态的，在寒冷环境下可能会加重设备的热损失。

  为了实现真正“懂得冷热”的智能电子皮肤系统的研发，研究团队构思了温度响应型自适应热管理（Adaptive Thermal Management, ATM）的设计概念，即柔性面料能根据温度变化主动调整其对太阳光和红外辐射的反射或发射。

技术突破：多纤维谐振器结构实现冷热双调控

  该研究核心创新在于：首次在三维柔性纳米纤维面料中引入多纤维谐振腔机制，构建了一种响应环境温度变化的“智能面料”。

  研究团队通过电纺法制备出具有高孔隙率（~80%）的聚四氟乙烯（PTFE）无纺布，并在其上下表面分别沉积掺钨（W）的二氧化钒（VO?）纳米颗粒和银（Ag）纳米颗粒，在大量的单根纳米纤维上构建“Janus型”双面涂层结构。

• 在高温时，VO?发生绝缘-金属相变，激活纤维谐振腔结构，实现高红外发射，从而达到高效散热；
  

• 在低温时，VO?转变回绝缘态，抑制红外发射，从而实现有效保温。

  这种微观多纤维谐振器如多个微型“热门控”，在温度变化时自动“开启”或“关闭”，从而实现面料对太阳可见光（VIS）—近红外（NIR）—长波红外（LWIR）光谱的广谱调控。

性能优势显著，广谱调节能力突出

  该智能面料在多个关键热调控性能上实现了突破，其在高低温下的红外发射率调节效率（Δε）高达0.69，可见光反射率调节效率（ΔR）达19.8%，近红外反射率调节效率（ΔR）达27.9%，实现了从VIS到LWIR的广谱调控能力；该面料无需电力驱动，动态响应温度变化实现自适应调节；同时，该面料还具备柔性、耐用、防水等工程适配性，适用于柔性电子集成。

  在实际测试中，该面料在低温（约9.7 °C）下覆盖热源可使其温度上升2 °C，在高温（约63.6 °C）下覆盖热源可使其温度显著下降16.6 °C，充分展示其动态双向调温能力。

应用前景广阔：从电子皮肤到绿色建筑

  该研究成果不仅为下一代可穿戴柔性电子设备和智能机器人等提供了轻量化、环保、零能耗的热调控方案，也可拓展至建筑节能（如窗帘、帐篷）、空间蒙皮及国防装备等多领域，具有广阔的实际应用潜力。

图1. 无源自适应动态热调节智能谐振超面料的结构与概念。a) 带有IR门控的谐振腔超面料在高温（左）和低温（右）下的工作原理。其中较粗/较细的红色和黄色实线箭头表示较强/较弱光辐射，红色虚线箭头表示极弱IR辐射。b）谐振腔超面料的示意图。c）超面料中纤维状谐振腔的结构示意图。d）超面料的实物照片。e）超面料温度为20 °C（蓝线）和60 °C（红线）时在VIS-NIR和LWIR范围内的光谱图，并分别与标准化AM1.5全球太阳光谱（蓝色阴影）和LWIR ATSW（红色阴影）相对照

图2. 谐振器超面料的结构构筑与光学模拟。a）VO₂和Ag NPs分别从面料断面的顶部和底部进入内部。b）和对其各自NPs穿透面料深度的影响。c）超面料断面的SEM图。d）通过SEM和EDS线性映射获得的断面线性上-下元素分布曲线。e）谐振腔超面料断面处的纤维结构。f-h）分别模拟了超面料中平行模型在高低温下的谐振模式f，g）和LWIR吸收光谱h）。i）模拟了超面料中单一模型在高低温下的LWIR吸收光谱。

图3. 谐振腔超面料的制造和性能特点，包括其疏水性、机械柔性、可洗性和结构动态稳定性。a）基于静电纺丝、真空沉积和气动沉积工艺的光学谐振腔面料的制备流程图。b）水滴在倾斜35°的超面料上滑落的过程（水滴流速约5 μL min^?1；N、G、F_total分别表示法向力、液滴重力和阻力）。c）超面料的柔韧性。d）初生PTFE面料、热处理后的PTFE面料、商用PTFE面料和超面料的机械强度。e）谐振腔超面料的可洗性及洗涤循环过程中冷热IR发射率的稳定性

图4. 响应温度变化的光热动态门控。a）1层、2层和3层谐振腔超面料在高低温下的IR发射光谱。b）超面料在冷热循环作用下的IR热调节循环稳定性。c）谐振腔超面料在温度变化下（蓝线）的IR发射率。数据在8～13 μm上取LWIR发射率平均值，并绘制成时间曲线。d-f）PTFE纳米纤维平均直径和VO₂ NPs沉积剂量对（d）、（e）和Δε（f）的影响。g）超面料和VO₂/PTFE面料的红外热成像，温度范围为25～60 °C。h）裸热表面、覆盖VO2/PTFE面料和谐振超面料的热表面在室外温度变化下的实时温度记录。i，j）分别在低温（i）和高温（j）下对裸露的热表面和覆盖有超面料和VO₂/PTFE面料的热表面进行实时温度记录。

研究团队与国际合作

  该项目由东华大学先进纤维材料全国重点实验室牵头，联合瑞士Empa材料研究所、苏黎世联邦理工学院等单位协同攻关。该成果近日以“Temperature-Responsive Resonator Metafabrics for Self-Adaptive Thermoregulation”为题，发表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2025, 2422485)上。东华大学材料科学与工程学院博士研究生位艳芳为文章第一作者，王宏志教授、赵善宇研究员及侯成义研究员为论文共同通讯作者。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422485