本研究由东华大学生态纺织科学与技术重点实验室的Peibo Du、Jinping Zhang、Haoye Tian等学者，以及南京医科大学第二附属医院心血管外科的Kefan Zhang共同完成。通讯作者为Zaisheng Cai。该论文于2026年4月20日被Advanced Materials接收发表，题为“Transpiration-inspired radiative cooling metafabric for efficient personal thermal and moisture management”。
这项研究属于被动辐射冷却（passive radiative cooling）与个人热湿管理（personal thermal and moisture management）交叉领域。在全球变暖和极端高温事件频发的背景下，传统空调系统消耗大量电力并加剧温室气体排放，形成恶性循环。被动辐射冷却纺织品通过反射太阳光（0.3–2.5微米）并利用大气透明光谱窗口（atmospheric transparent spectral window，ATSW，8–13微米）向低温宇宙辐射热量，有望实现零能耗的人体降温。然而，现有辐射冷却纺织品普遍存在汗液蒸发能力有限和导热系数低的问题，尤其在高强度运动或高温户外环境中，蒸发散热和热传导的不足会显著降低整体冷却效率。此外，传统Janus润湿性纺织品要么在界面处造成液体钉扎（liquid pinning），要么难以抑制反向液体渗透。因此，本研究的目标是通过仿生植物蒸腾作用，设计一种集成了梯度多孔结构、渐进润湿性和毛细力梯度的超织物（metafabric），同时实现高效太阳光谱调控、高热传导通路和优异单向导湿性能。
研究的设计与制备分为三个主要步骤。首先，选择尼龙6（PA 6）作为基体材料，因其具备良好的机械性能、较高的红外发射率和优于棉的导热性。其次，通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对氮化硅（Si₃N₄）纳米颗粒进行表面改性，得到亲水性ASN颗粒。Si₃N₄具有高折射率（约2.1）和高导热性，可作为光散射介质和热传导填料。最后，利用静电纺丝技术逐层构建三层结构：内层为疏水性PA 6纤维膜（平均纤维直径2.25微米，水接触角124.8°），中间层为ASN-15/PA 6过渡层（平均纤维直径1.38微米，水接触角65.9°），外层为亲水性ASN-30/PA 6层（平均纤维直径0.60微米，水接触角15.7°）。每层厚度约100微米。这种梯度设计使纤维直径从内到外逐渐减小，形成孔径递减的多孔结构，有利于增强太阳光的米氏散射（Mie scattering）；同时ASN含量递增带来润湿性和导热系数的渐进梯度。材料表征方面，FTIR证实ASN表面成功引入氨基；静电势和能带隙计算表明APTES改善了填料与基体的界面相互作用；EDS映射确认Si、N、C、O元素均匀分布；原子力显微镜显示ASN颗粒显著提高了表面粗糙度。
在光学与热学性能测试中，超织物表现出99.7%的太阳光反射率和93.3%的中红外发射率，远超棉织物（57.9%和73.8%）和纯PA 6膜（48.6%和89.5%）。梯度多孔结构建立了渐变的折射率界面，减少界面反射并增强中红外吸收。导热系数测试显示，超织物导热系数为0.49 W/m·K，高于PA 6的0.26 W/m·K和棉的0.03 W/m·K。Ansys有限元模拟表明，在皮肤温度37℃、环境温度25℃条件下，超织物外表面温度达36.8℃，高于相同结构的PA 6织物的36.1℃，证明高导热性有助于将体热传递到外表面以增强对流和辐射散热。接触凉感系数（qmax）测试中，超织物为0.33 J/(cm²·s)，高于PA 6的0.25和棉的0.12，进一步支持其优异的接触凉感性能。
单向导湿性能通过多组实验系统评估。蓝色水滴实验显示，水滴从疏水内层向亲水外层可在8秒内完成穿透，而反向滴加时液体仅停留在外表面不渗透。突破压力测试显示，正向（PA 6侧）突破压力为2.8 cm H₂O，反向（ASN-30/PA 6侧）为15.0 cm H₂O，表现出显著的各向异性。水分管理测试仪（Moisture Management Tester，MMT）结果表明，含有中间层的三层结构单向传输指数（one-way transport index，R）达1330.7%，整体水分管理能力（overall moisture management capability，OMMC）为0.86，高于无中间层的1006.7%和0.75。芯吸距离测试中，超织物的芯吸距离达116 mm，远高于棉的44 mm。这些结果归因于润湿性梯度和毛细力梯度的协同作用：根据Young–Laplace方程，毛细管压力与孔径成反比，外层最小孔径和最高亲水性产生最大毛细力，驱动液体从内到外连续单向流动，同时疏水内层提供的疏水力阻止反向渗透。
户外冷却性能测试在上海晴朗天气下进行。在约654.2 W/m²的峰值太阳辐照下，裸露皮肤温度达56.4℃，棉织物下为51.7℃，PA 6膜下为49.4℃，而超织物下仅为41.5℃，分别比PA 6、棉和裸露皮肤低7.9℃、10.2℃和14.9℃。理论净冷却功率（Pnet）在环境温度300 K、样品温度等于环境温度时达110.1 W/m²，夜间净冷却功率为105.0 W/m²。在模拟出汗实验中，干燥状态下超织物温度为27.3℃（基础皮肤温度41.5℃），当汗液速率分别为2和4 mL/h时，温度降至23.2℃和21.3℃，与干燥皮肤相比实现了20.2℃的蒸发冷却温差。Ansys热湿耦合模拟进一步证实，含中间层的超织物最大汗液传输速率可达190 µm/s，外表面温度降至27.8℃，优于无中间层的140 µm/s和31.5℃。建筑能耗模拟显示，在上海应用该超织物可使年冷却负荷减少34.5 GJ，相当于21.9%的节能率，并减少7.9吨CO₂年排放。
力学与耐久性方面，分子动力学模拟显示ASN与PA 6的结合能为−2.25 eV，远高于未改性Si₃N₄与PA 6的−0.15 eV，APTES改性增强了界面氢键和范德华相互作用。超织物断裂强力为92.8 N，拉伸强度16.2 MPa，断裂伸长率62.8%。经20次机洗后太阳光反射率几乎不变，失重率仅7.1%；加速紫外老化30天等效暴露后，太阳光反射率和中红外发射率仅分别衰减0.32%和0.28%。水蒸气透过率为3218.7 g/m²·d，高于棉的2095.2 g/m²·d，透气性优异。
本研究的核心创新在于将辐射冷却、热传导和蒸发冷却三种机制耦合到同一纺织品中，并通过梯度多孔结构同时解决光谱调控、热传导路径优化和单向导湿三大难题。与已报道的双层或单一功能纺织品相比，该三层超织物在太阳光反射率、中红外发射率、导热系数和水分管理能力上均实现了同步优化。该策略不仅为先进个人热湿管理纺织品的设计提供了新思路，也展示了在户外运动服装、建筑节能和高温作业防护等领域的应用潜力。