NML封面文章｜山东大学王桂龙等: 多功能Janus织物实现自适应热管理、自驱动感知与综合防护的一体化集成

Multifaceted Janus Textile Simultaneously Achieving Self-Sustainable Thermal Management, Perception, and Protection

Jialong Chai, Guilong Wang*, Runze Shao, Lin Ni, Guoqun Zhao, Jintu Fan

Nano-Micro Letters (2026)18: 205

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02030-6

本文亮点

1. 微纤成孔，强韧织造：创新性开发提出剪切诱导原位成纤策略，实现具有纳米-微米多级原纤结构、高孔隙率与高强度的微孔聚四氟乙烯(PTFE)纤维的连续化制备，为多功能织物奠定材料基础。

2. 一体多面，一织多能：通过光谱、电学与润湿三重双面特性的一体化设计。通过独特的光谱Janus设计实现自适应辐射制冷/加热；利用电学Janus结构构建自驱动传感与能量收集功能；借助润湿Janus特性实现防水吸湿透气的穿着舒适性。

3. 潜在危险，全面防护：织物兼具高效电磁干扰屏蔽、紫外线防护、阻燃及化学稳定性，为可穿戴设备在复杂环境中提供综合防护，实现自持续、多功能与穿戴舒适的统一。

研究背景

随着全球气候变化加剧，极端天气事件频发，高温和低温导致的人体温度失衡对人类健康与安全的威胁日益严峻。传统智能与防护织物通常采用独立的隔热层、电子层与保护层堆叠设计，导致织物厚重、穿着不适且依赖外部能源。如何在单一织物上实现自适应热管理、自驱动感知与综合防护的协同，是下一代智能织物面临的关键挑战。Janus结构因其固有的双面异质特性，为实现多重功能集成提供了理想平台，然而现有Janus织物多局限于单一功能)，难以满足复杂环境下多功能协同、自适应、自持续的需求。

内容简介

针对现有Janus织物功能单一、难以兼顾热舒适、智能感知与全面防护的瓶颈，山东大学王桂龙团队提出一种多面Janus织物(X-Janus织物)。该织物通过剪切诱导原位成纤策略构建了具有纳米-微米多级原纤结构、高孔隙率与高强度的微孔聚四氟乙烯(PTFE)，并进一步将PTFE微孔纤维编织层与MXene涂层碳织物的耦合，在单一织物上集成了多重Janus特性：

·光谱特性：PTFE侧高效散射太阳光(可见光吸收仅9.6%)并具有高红外发射率(92.7%)，实现辐射制冷；MXene/碳侧高效吸收太阳光(吸收率86.7%)并高反射人体红外辐射(发射率27.2%)，实现光热加热。

·电学特性：介电PTFE与导电MXene/碳层构成单电极摩擦电结构，可对外界机械刺激(按压、弯曲、水滴冲击)产生快速电信号响应(响应时间<0.1 s)，并能够收集能量为低功耗器件供电。

·润湿性：PTFE侧超疏水，实现自清洁与防水；MXene/碳侧亲水，促进汗液蒸发，织物水蒸气透过率高达14897 g·m⁻²·24h⁻¹，保证穿着干爽舒适。

此外，织物还具备优异的电磁屏蔽(56 dB)、耐危险化学品、紫外线防护(UPF>1500)、本征阻燃等综合防护性能。在实际户外测试中，该织物在夏日可实现最高16.1°C的降温，冬日可实现13.9°C的升温，有效维持人体热舒适区。这种多面Janus设计策略突破了传统功能织物“功能-轻柔-舒适”难以兼顾的困局，为未来户外作业、应急救援、智能服装等领域的多功能自持续可穿戴系统提供了创新思路与实用化途径。

图文导读

I 一“织”多面的集成创新设计

图1系统阐释了本工作提出的 “多功能Janus”(X-Janus) 织物设计思路与集成架构。面对极端环境对织物热舒适、智能感知、全面防护的多重要求，传统层叠式设计往往导致织物厚重、功能割裂且依赖外部能源。本研究跳出“功能堆砌”的传统思路，从材料本征特性与界面耦合出发，进行一体化设计。通过将具有高太阳反射/高红外发射特性的微孔PTFE编织层，与具有高太阳吸收/低红外发射特性的MXene涂层碳织物进行智能耦合，在单一织物上构建了光谱、电学、润湿三重Janus特性。这并非简单的物理复合，而是基于精确的光-热-电-湿机理，实现了功能的协同与放大：光谱Janus结构负责与外界环境的能量交换；电学Janus结构将机械刺激转化为电信号与能量；润湿Janus结构管理人体微气候。本工作在多功能集成度与性能均衡性上实现了跨越式提升，为“一织物，多场景”的应用愿景奠定了坚实基础。

图1. 多功能Janus织物的设计理念。

II 原位成纤构建纳米微纤结构

织物的卓越性能始于其核心材料的突破性制备。本研究首创了剪切诱导原纤化纺丝技术。该工艺通过将PTFE与生物基聚乳酸(PLA)在双螺杆挤出机中熔融共混，在强剪切力作用下，PTFE晶体解缠并原位形成高度缠结的纳米原纤网络，经纺丝、萃取、干燥后，成功获得连续、柔韧的微孔PTFE纤维。这一方法解决了PTFE微孔纤维难以连续纺丝的行业难题，具备规模化生产潜力。通过精确调控加工温度，可以精细调控纤维内原纤从纳米到微米级的直径分布，从而获得兼具高孔隙率(>75%)、独特零泊松比力学行为(应力沿轴向原纤均匀分散)与超高强韧性(34.6 MPa)的纤维。

图2. PTFE微孔纤维的原位成纤制造工艺与性能表征。

III 光谱热管理性能的调控

实现高效被动热管理的核心在于对太阳辐射和人体热辐射的精准调控。本工作通过Janus光谱设计，赋予了X-Janus织物智能切换的“冷/热”双模式。在炎热环境下，理想织物应高效反射太阳光(0.3–2.5 μm)并强化通过“大气窗口”(8–13 μm)向外太空辐射散热；在寒冷环境下，则应高效吸收太阳光并反射人体发出的中红外热辐射(~10 μm)以减少热量散失。同时具有微纳多级尺度的原纤结构可作为高效的米氏散射体，使其PTFE微孔纤维编织层在太阳光谱区实现了高达90.4%的反射率，同时通过耦合碳织物实现在大气窗口波段92.7%的高红外发射率，完美契合辐射制冷需求。反观另一侧，MXene/碳织物层提供高达86.7%的宽谱太阳光吸收，以及在中远红外波段(7–25 μm)具有高达70%以上的反射率，共同实现了高效的光热加热与热辐射屏障功能。

图3. 辐射热管理的光谱设计与优化。

这种非对称的光谱特性，使织物通过简单的内外翻转，即可实现热管理模式的智能切换。此外，PTFE层不仅贡献光谱特性，其低热导率(114 mW·m⁻¹·K⁻¹)也提供了隔热缓冲；而MXene/碳层的高热导率(550 mW·m⁻¹·K⁻¹)则有利于热量传递。在实际测试中，在炎夏正午，织物(制冷面朝外)可使模拟皮肤温度最大降低16.1°C，性能显著优于棉、尼龙等常见面料；在寒冬，织物(加热面朝外)则能实现最大13.9°C的升温，成功将皮肤温度维持在人体安全舒适范围内。这证明了该织物强大的环境自适应能力和实用化潜力。

图4. X-Janus织物被动辐射热管理性能测试。

IV 摩擦电效应赋能的自驱动感知与能量收集

X-Janus织物同时是一套自驱动的智能感知系统。其奥秘在于由介电PTFE层与导电MXene/碳层构成的电学Janus结构，这本质上是一个高性能的单电极模式摩擦纳米发电机(TENG)。层级结构赋予其良好的感知性能：宏观上，编织纤维间的接触分离；微观上，纳米原纤网络的弹性变形，共同贡献了巨大的有效接触面积和高效的电荷转移。有限元模拟直观展示了不同压力下界面电势的动态分布，解释了信号产生的物理机制。基于此，织物展现出丰富而灵敏的感知能力：它能精准、迅速反馈按压力度、识别弯曲角度、响应不同频率的机械刺激。更有趣的是，其甚至能“感知”雨水——不同体积和频率的水滴冲击，会诱发特征鲜明的电信号，为恶劣天气预警提供了可能。此外，这些机械能可被有效收集为低功耗电子设备供电，实现了从“感知”到“供能”的闭环，真正体现了“自驱动”的内涵。超过5000次的循环测试证明了其出色的耐久性，为其在可穿戴领域的实际应用提供了可靠性保障。

图5. 电学Janus结构实现的自驱动传感性能。

V 从基础舒适到极端环境全方位安全防护

卓越的功能性必须建立在穿戴舒适与安全的基础之上，X-Janus织物在此方面同样表现出色。其润湿Janus特性是舒适性的关键：PTFE侧的超疏水性(接触角>150°)赋予了织物优异的防水、防污、自清洁能力；而MXene/碳侧的亲水性则能快速导湿，配合高达14897 g·m⁻²·24h⁻¹的水蒸气透过率，确保了织物出色的透气排汗性能，实现了“防水”与“透气”这一对矛盾属性的统一。更重要的是，织物集成了令人惊叹的综合防护性能：① 化学防护：受益于PTFE卓越的化学惰性，织物在浓酸、浓碱中浸泡后依然保持结构完整，远超普通织物。② 电磁屏蔽：MXene/碳层构成了高导电网络，在X波段(8.2–12.4 GHz)实现了56 dB的超高屏蔽效能，能阻挡99.9997%的电磁辐射，并有效消除静电危害。③ 紫外线防护：织物的紫外线防护因子(UPF > 1500)，达到商业最高标准(UPF 50+)的30倍以上。④ 阻燃安全：垂直燃烧测试表明，织物离火即熄，仅产生轻微阴燃，而对照的棉、涤纶等织物则剧烈燃烧或熔滴，展现了极高的火灾安全性。这些防护功能并非独立存在，而是通过材料与结构设计有机融合，使一件织物即可为户外工作者、应急救援人员、特种行业从业者提供从头到脚的全方位安全守护。

图6. X-Janus织物的穿着舒适性与多功能防护性能。

VI 总结

本研究通过创新的多面Janus设计与微孔PTFE纤维制备技术，成功开发出一种集自适应被动热管理、自驱动感知、能量收集、防水透气及综合防护于一体的多功能织物。该织物在无需外部供能的前提下，实现了对人体热舒适的智能调控、对外界环境与运动的感知、以及对多种危险因素的防护，突破了传统纺织品功能单一、依赖外部能源的局限，为下一代自持续、多功能、高舒适智能纺织品的发展提供了全新的设计范式与切实可行的技术路径。

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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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