广西大学何辉等: 密闭空间里能保障生命的“碳管家”微纳米机器人

研究背景

潜艇、载人航天器、矿难救援舱等密闭环境中，人员呼吸与材料氧化持续释放CO₂，一旦累积超量将引发生理风险，成为环境控制与生命保障系统(ECLSS)的关键瓶颈。现有方案各有短板：液胺再生能耗高且有泄漏隐患；分子筛与MOFs等吸附材料需复杂疏水改性以适应高湿环境；传统固体胺易形成稳定脲结构；光热再生型新材料难以动态温控、易出现局部过热与热老化。如何实现“高容量吸附—低能耗再生—安全热管理—长寿命循环”的一体化突破，依然是走向工程应用的核心难题。

Micro/Nano-Reconfigurable Robots for Intelligent Carbon Management in Confined Space Life-Support Systems

Wei Lu, Rimei Chen, Lianlong Zhan, Qin Xiang, Renting Huang, Lei Wang, Shuangfei Wang, Hui He*

Nano-Micro Letters (2026)18: 80

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01932-9

本文亮点

1. 三位一体，智能构建：首创“CO₂捕获分子猎手+温敏分子开关+光热/磁驱动双功能引擎”集成设计，碳捕获机器人以纤维素纳米纤维(CNF)为骨架，结合Fe₃O₄纳米颗粒(光热/磁驱动)、氧化石墨烯(GO，热传导桥)、温敏开关F127与聚乙烯亚胺(PEI，氨基吸附位点)，打破传统材料被动属性。

2. 低温再生，安全控温：通过F127分子链的温敏纳米重构(拉伸-卷曲转变)，结合Fe₃O₄的磁驱动微重构，实现55 °C超低再生温度，同时避免局部过热，光热转换效率达71%，热导率较对照组提升33.33%。

3. 生命护航，效能卓越：在密闭空间小鼠实验中，碳捕获机器人将小鼠存活时间最长延长54.61%，终末舱内CO₂浓度显著降低，小鼠肺损伤减轻，有力打破密闭空间碳窒息危局。

内容简介

针对密闭空间CO₂管理的技术瓶颈，广西大学何辉团队跳出“单一功能优化”框架，战略性地耦合纳米颗粒和温敏性大分子，设计出具有类生命环境响应的微纳米可重构机器人(MNRM)，实现“高效吸附-低能耗再生-智能热管理”的协同突破。MNRM中高密度的氨基位点是CO₂捕获超级猎手，与水携手打破“氨基孤岛效应”，实现6.19 mmol g⁻1的高吸附容量；再生阶段的核心创新在于温敏“开关”引导的“纳米重构”：当温度升高，F127分子链从伸展转为蜷曲，不仅提升氨基表面静电势，还降低了(LUMO)能级，削弱氨基对吸附产物的亲核攻击能力，从而抑制尿素结构生成，使再生温度降至55 °C。同时，MNRM中Fe₃O₄纳米颗粒在磁场驱动下实现整体微米重构，配合GO的热传导作用，巧妙传递热量，避免局部过热。更值得关注的是，MNRM可利用太阳能实现低能耗再生，仅需0.7倍太阳光强度(700 W/m2)即可达到55°C再生温度，10次循环后吸附容量仍保持91.6%，再生能耗仅314.86 J/g，远低于传统热再生方案。

图文导读

I 设计理念：鱼群行为启发的“智能协同”

MNRM的结构设计突破传统材料“静态”局限，内部Fe₃O₄纳米颗粒作为磁/光热双引擎，与GO一起构建了高效的光热体系，太阳能吸收率达71%，1 sun照射下可快速升温至78 °C；同时借助动态磁场实现磁驱动微米重构，模拟鱼群协同运动，避免静态光热易出现的“表面过热、内部未热”问题，导热性至少提升33.33%，实现非接触式热管理。

图1. MNRM的微/纳尺度重构设计及其在高能效CO₂捕集中的应用。

图2. MNRM的制备及其微重构性能。

II 纳米重构：温度响应的“分子变形术”

分子动力学和基础表征均证实，F127的温敏响应机制赋予MNRM“分子机械臂”式的动态特性，使其在热触发下完成自我蜷缩与舒展。低温时，分子链段松散舒展，有利于溶胀和扩散；高温时，分子链段收缩卷曲，具体表现为粒径缩小、表面粗糙度提升2.3倍。这些纳米级构象转变，有利于调控氨基微环境为低温再生铺路。

图3. MNRM的纳米重构特性。

III 吸附性能：水赋能的“碳捕获强者”

尽管 MNRM 的氨基密度高达16.65 mmol g⁻1，其在干态条件下的CO₂吸附容量仅为 0.77 mmol g⁻1，表明大量氨基位点处于低利用状态。值得注意的是，MNRM的润胀率高达 311%，水的加入显著提高了氨基位点的可及性与有效利用度，使伯/仲/叔胺基团均能够参与吸附过程，改善CO₂扩散行为并提升传质效率，同时暴露出更多反应活性氨基位点，从而使吸附容量提高至6.12 mmol g⁻1。

图4. 干湿/状态下MNRM对CO₂的吸附性能。

IV 再生机制：分子优化的“低温突破者”

传统固态胺基材料的高再生温度通常归因于热稳定的尿素结构的生成。MNRM借助温度诱导的纳米尺度重构特性，降低HOMO能级、增强氨基表面静电势，削弱氨基亲核性，有效抑制尿素结构形成。最终实现55 °C的超低再生温度，攻克胺基材料高能耗再生痛点。

图5. 纳米重构对低温再生性能的影响。

V 再生优势：多模式高效“节能标杆”

MNRM仅需55 ℃低温热再生，循环10次后吸附量仍达5.83 mmol g⁻1(再生率 94.18%)，无需高能耗加热；更支持0.7 sun光驱动光热再生，再生率91.6%。在吸附容量、再生温度、再生效率以及再生光强四维性能上优于同类光触发再生材料，成为低碳场景下碳捕获的节能优选。

图6. MNRM的高效节能再生。

VI 应用价值：密闭空间的“生命守护者”

密闭空间中，MNRM让小鼠存活时间最长延长54.61%，抑制肺部损伤，死亡点舱内CO₂浓度仅1.95%(空白对照组达12.2%)，从根源缓解碳中毒风险；同时99.08%抗菌率抵御微生物污染，78.99%肺细胞存活率保障生物安全，兼具优异的抗菌性能与生物相容性。为潜艇、空间站等场景筑起“碳管理+健康保护”双重生命防线。

图7. MNRM在生命保障系统中的二氧化碳管理能力。

VII 总结

本研究设计的微纳可重构机器人MNRM，面向严苛体积与能耗约束的密闭空间，实现了集高效CO₂吸附、低能耗再生与环境适配于一体的综合碳管理能力。得益于“分子猎手+温敏开关+光热/磁驱双引擎”的结构与功能设计，MNRM 在湿态条件下对低浓度CO₂的吸附容量达到 6.19 mmol g⁻1，并通过温度触发纳米重构有效抑制尿素结构生成，以55 ℃ 实现超低温再生且在多循环中保持稳定性能。同时，其优异的光热转换与磁响应特性支持低光强条件下的高效光热再生，从整体上显著降低碳捕集能耗。密闭空间动物实验表明，MNRM 可显著延长小鼠存活时间、降低舱内CO₂水平并兼具良好生物安全性，有望满足潜艇、空间站等生命支持系统对“碳管理+健康防护”的双重需求。总体而言，MNRM 在吸附容量、再生温度与再生能耗等关键指标上均表现出综合优势，为极端环境下智能响应型碳材料的设计与可持续碳管理提供了具有代表性的材料范式。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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