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  織物的一項(xiàng)重要功能是對(duì)人體散熱速率進(jìn)行調(diào)控，以保證人體的健康舒適。外界環(huán)境對(duì)人體體感溫度具有顯著的影響，例如，濕度較大的環(huán)境中，人體對(duì)寒冷的感覺更為明顯，被稱為“濕冷”。為了適應(yīng)多變的外界環(huán)境，已經(jīng)有一些研究工作通過調(diào)節(jié)織物的對(duì)流、輻射散熱速率來實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性的動(dòng)態(tài)熱管理織物。然而，對(duì)基于調(diào)節(jié)織物熱傳導(dǎo)的策略還有待研究。

  實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)織物的關(guān)鍵在于響應(yīng)性熱導(dǎo)可變材料（Thermal switching material, “熱開關(guān)”）的研究，并使其同時(shí)具有柔性和人體友好性。最近，清華大學(xué)張瑩瑩課題組開發(fā)出了一種基于天然絲膠蛋白和石墨烯的對(duì)外界濕度響應(yīng)的熱導(dǎo)可變材料(Graphene-sericin hybrid, GS)。GS的熱導(dǎo)率在不同的濕度環(huán)境中，可以呈現(xiàn)高達(dá)14倍的熱導(dǎo)率變化。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)探究及理論計(jì)算，GS的熱導(dǎo)率的變化被歸因于濕度誘導(dǎo)的界面熱導(dǎo)的變化。進(jìn)一步的，研究人員實(shí)現(xiàn)了基于GS的動(dòng)態(tài)熱管理織物，這種織物在干燥環(huán)境中呈現(xiàn)較低的熱阻，在濕潤(rùn)環(huán)境中呈現(xiàn)較高的熱阻，顯示了應(yīng)對(duì)“濕冷”環(huán)境不良感受的潛力。

  基于團(tuán)隊(duì)在絲膠蛋白-納米碳復(fù)合材料方面的工作基礎(chǔ)（原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000165；工作介紹：https://www.chem.tsinghua.edu.cn/info/1088/1905.htm），研究人員通過使用具有兩親性的天然絲膠蛋白的水溶液對(duì)膨脹石墨進(jìn)行剝離和分散，實(shí)現(xiàn)了GS的簡(jiǎn)便、高效制備。結(jié)構(gòu)分析表明在GS中絲膠蛋白呈現(xiàn)層層堆疊的“磚-泥”結(jié)構(gòu)。

圖1. GS的結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)響應(yīng)機(jī)理及在織物體系中的應(yīng)用概念。

  通過與清華大學(xué)張興教授、樊傲然博士合作，利用閃光拉曼法(Flash Raman method)測(cè)量了不同濕度環(huán)境下GS的熱學(xué)性質(zhì)，表明GS的熱導(dǎo)率隨濕度增加而降低，“開關(guān)比”最高可達(dá)14。對(duì)干、濕氣氛中GS結(jié)構(gòu)的表征顯示，GS中存在石墨烯-蛋白界面的限域行為，另外GS的結(jié)構(gòu)對(duì)濕度變化可以做出響應(yīng)。通過與江南大學(xué)魏寧教授、李珍同學(xué)合作，對(duì)復(fù)合物體系進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬(Non-equilibrium molecular dynamics)，結(jié)果表明GS中的熱傳導(dǎo)受石墨烯-蛋白界面熱導(dǎo)的控制，且這一界面熱導(dǎo)隨絲膠蛋白水合程度增加而降低。

圖2. 對(duì)GS不同濕度下熱學(xué)性質(zhì)的表征結(jié)果。

圖3. GS不同濕度下的結(jié)構(gòu)變化及對(duì)不同水合狀態(tài)的GS的NEMD模擬結(jié)果。

  由于GS具有較高的熱導(dǎo)率“開關(guān)比”、簡(jiǎn)單高效可持續(xù)的制備過程、良好的生物相容性，其有潛力用于熱管理織物。研究人員將GS涂覆于普通織物上，賦予其對(duì)傳導(dǎo)散熱的調(diào)節(jié)性。實(shí)驗(yàn)表明，GS織物的熱傳導(dǎo)性能對(duì)于濕度具有迅速、可循環(huán)的響應(yīng)，其性能對(duì)于拉伸、彎折等形變也具有良好的耐受性，顯示了織物的功能性及柔性。另外，該功能化方法可以直接應(yīng)用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成品衣物，如手套中，顯示了基于GS的功能化策略的普適性。

圖4. GS在響應(yīng)性織物中的應(yīng)用。

  該工作以Highly Regulatable Heat Conductance of Graphene–Sericin Hybrid for Responsive Textiles 為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202111121）。文章第一作者是清華大學(xué)博士生梁曉平，張瑩瑩課題組梁華潤(rùn)、王灝珉、畢鵬博士、李碩、吳遜恩、陸浩杰參與了工作。合作者包括清華大學(xué)張興教授、樊傲然博士，江南大學(xué)魏寧教授、李珍，西安工程大學(xué)樊威教授，美國(guó)亞利桑那大學(xué)郝慶教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

  在絲膠蛋白方面，該團(tuán)隊(duì)還曾報(bào)道了絲膠蛋白-碳納米管基電子墨水（Advanced Materials 2020, 32, 2000165.）、絲膠蛋白基多模式發(fā)光碳點(diǎn)（Small2021, 17, 2103623.）等成果。本工作在之前的基礎(chǔ)上，從一個(gè)新的角度展示了絲膠蛋白在智能穿戴領(lǐng)域的潛力。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202111121