在全球气候变暖与空气污染双重挑战下，兼具高效热管理与空气净化功能的防护材料成为研究热点。苏州大学汪晓巧、张克勤团队受自然界卷须螺旋结构启发，开发了一种新型仿生3D螺旋纳米纤维超织物（HNMF），实现了日间被动辐射制冷与低阻高效颗粒物过滤的协同。该材料太阳光谱反射率高达 96%，大气窗口红外发射率达 91%，可在户外环境中实现显著的被动降温效果；同时对 PM_0.3颗粒物过滤效率超过 99.92%，压降仅为 52.8 Pa，兼具高透气与透湿性能。室外测试与建筑能耗模拟结果表明，HNMF 在个人防护面罩与建筑节能遮阳帘等场景中均表现出优异的应用潜力，为开发下一代多功能、零碳、可持续的纺织材料提供了新思路。

  随着全球平均气温持续升高，传统降温方式（如空调）能耗巨大且碳排放高，被动日间辐射制冷（DRC）技术作为一种无需额外能源的零碳降温方案，受到广泛关注。与此同时，大气细颗粒物污染对人体健康的威胁日益突出，开发高效、低阻、舒适的空气过滤材料同样刻不容缓。然而，现有的辐射制冷织物大多为致密的直纤维结构或多层涂层材料，高反射、高发射的光学性能与高透气、低阻的过滤性能之间存在天然矛盾，难以同时满足热舒适与空气安全的双重需求。

图1 兼具辐射制冷与空气过滤双功能的螺旋纳米纤维膜（HNMF）

  为了突破这一瓶颈，苏州大学汪晓巧教授课题组提出了一种仿生螺旋纳米纤维设计策略。受自然界中卷须、藤蔓等生物结构的启发，团队利用两种力学性能不匹配的高分子材料——醋酸纤维素（CA）和聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP），通过静电气喷纺丝技术一步制备了具有 3D 螺旋形貌的纳米纤维超织物。在纺丝过程中，两种材料的机械性能差异导致复合射流在电场与气流的协同作用下发生不对称的形变，从而自发形成均匀、连续的螺旋纳米纤维。这种结构不仅赋予了材料高达 97%的孔隙率，还构建了独特的多级孔道结构，为实现制冷与过滤的协同提供了结构基础，为开发下一代多功能、零碳、可持续的纺织材料提供了新思路。相关成果以“Bioinspired 3D Helical Nanofiber Metafabrics for Concurrent Thermal Management and Particulate Protection” 为题发表在国际纳米领域顶级期刊《ACS Nano》上。本文通讯作者为苏州大学汪晓巧教授、张克勤教授和解安全博士，第一作者是苏州大学硕士研究生钱鑫龙，该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2 HNMF的制备

  在光学性能方面，螺旋纳米纤维的特殊形貌增强了材料在太阳光谱（0.25–2.5 μm）内的宽带散射能力，使 HNMF 的太阳反射率达到了 96%，高于直纳米纤维膜。同时，CA 与 PVDF-HFP 中的极性基团（如 C-O、C-F）赋予了材料在 8–13 μm 大气窗口内高达 91% 的红外发射率。室内模拟与室外实测结果显示， HNMF 表面温度均低于纯 CA 膜和纯 PVDF-HFP 膜，理论日间净制冷功率最高可达 74 W/m²，夜间可达 114 W/m²，展现了优异的被动制冷性能。

图3 HNMF的光学性能

  在空气过滤性能方面，3D 螺旋结构构建的独特的内部通道，使 HNMF 在保证极高过滤效率的同时，实现了极低的空气阻力。测试结果显示，HNMF 对 PM_0.3的过滤效率超过 99.92%，对 PM_0.5的过滤效率达 99.91%，而对应的压降仅为 52.8 Pa，远低于传统直纤维纳米过滤膜（372.8 Pa）。这意味着 HNMF 在提供高效防护的同时，能显著降低呼吸阻力，提升佩戴舒适性。团队将 HNMF 制成防护面罩，其透气率、透湿率均达到了商用口罩的标准，呼吸阻力接近医用口罩，具备优秀的佩戴舒适性。

图4 HNMF的过滤性能

  为验证 HNMF 在真实场景下的综合性能，团队在高温多尘的建筑工地进行了连续8小时的室外测试。结果显示，装备 HNMF 的测试舱内温度比使用商用滤料的对照组低 6.3 ℃，同时舱内 PM?.?浓度降至 32.4 μg/m³，远低于国家标准限值。人体皮肤模拟测试也表明，佩戴 HNMF 面罩时，皮肤温度比佩戴普通口罩低 9–10 ℃，有效缓解了闷热感。此外，团队利用 EnergyPlus 软件对中国 20 个典型城市进行了建筑能耗模拟，结果显示，将 HNMF 作为建筑外遮阳帘，可使夏季制冷能耗最高降低 11.7%，在广州、武汉等南方炎热地区，年节能量可达 32 MJ/m²，年减碳量最高达 5.2 kg CO₂/m²，展现了良好的建筑节能与减碳潜力。

图5 户外测试

图6 建筑能耗模拟

  本研究提出了一种基于仿生 3D 螺旋纳米纤维的多功能防护材料设计新策略，成功突破了传统辐射制冷织物在制冷、透气与过滤性能之间难以协同的瓶颈。所制备的 HNMF 兼具超高太阳反射率、高红外发射率、高效低阻过滤性能和良好的透气透湿性，可同时满足个人热管理与空气安全防护的需求。该材料可广泛应用于夏季清凉防护口罩、户外防护服、建筑节能遮阳帘等场景，在高温作业、交通、工地等热应激与粉尘污染复合环境中具有广阔的应用前景。这项工作不仅为多功能智能纺织材料的开发提供了新的设计思路，也为零碳建筑与可持续个人防护技术的发展提供了可落地的技术路线。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c00876