针对这一难题，东华大学蔡再生教授团队设计了一种受植物蒸腾作用启发的新型仿生“超织物”。该织物通过多尺度静电纺丝结构设计，集成了精确的太阳光谱调控、高效的热传导通路和卓越的导湿能力。其梯度微纳多孔结构能够广泛散射太阳光谱，同时建立渐变折射率界面以增强中红外吸收。最终，该超织物的太阳光反射率和红外发射率分别达到了惊人的99.7%和93.3%，实现了10.2摄氏度的降温效果和每平方米110.1瓦的净冷却功率。此外，凭借渐变润湿梯度和毛细力梯度，该织物还展现出高达1330.7%的单向传输指数和每厘米15.0厘米水柱的反向突破压力，有效防止了液体钉扎和反渗。相关论文以“Transpiration-Inspired Radiative Cooling Metafabric for Efficient Personal Thermal and Moisture Management”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 (a) 高效冷却纺织品的概念设计与构建。 (b) 植物的蒸腾作用过程。 (c) 所设计超织物的示意图。 (d) 反射率与发射率光谱。 (e) 超织物的照片。本图中所有图均为第一作者原创作品。 

扫描电子显微镜图像揭示了该超织物的层级结构奥秘。从内层的疏水性PA6层，到中间的ASN-15/PA6传输层，再到外层的亲水性ASN-30/PA6层，纤维直径呈现出从2.25微米到1.38微米再到0.60微米的梯度递减趋势，这为精确调控太阳光谱、增强米氏散射效应提供了结构基础。与此同时，相应的水接触角从内层的124.8度，经中层的65.9度，降至外层的15.7度，形成了一个显著的渐变润湿梯度。这种梯度设计，配合ASN纳米粒子带来的高表面粗糙度，不仅促进了汗液的快速蒸发，更通过梯度孔隙结构建立了渐变折射率界面，减少了电磁波的突变界面反射，从而将中红外发射率提升至93.3%。热导率测试进一步证实，该超织物的热导率高达每米每开尔文0.49瓦，远优于棉花的0.03瓦，使其能够像植物树干传导水分一样，迅速将体热传导至织物表面，在干态下表现出更高的表面温度，为高效散热创造了有利条件。

图2 (a) 分层超织物的扫描电镜图像：(a) PA 6内层，(b) ASN-15/PA 6中间层，(c) ASN-30/PA 6外层。 (d-f) 对应上述超织物层的纤维直径分布（插图为水接触角）。 (g) 静电势电荷分布。 (h) 超织物中红外发射的机理示意图。 (i) 能谱面扫图像。 (j) PA 6纤维膜（左）和超织物（右）的原子力显微镜图。 (k) 热导率测试。 (l) 附着在干性和湿性皮肤上样品的红外热像图。 

在单向湿气传输行为方面，该超织物展现了类似二极管的特性。实验显示，当蓝色水滴被滴在疏水性内层时，能在8秒内迅速被单向“泵”送至亲水性外层；反之，滴在外层的水滴则被牢牢锁住，无法穿透至内层。这种不对称的渗透性源于其梯度多孔结构产生的毛细力差异。根据杨-拉普拉斯方程，毛细力与孔径和水接触角余弦值成正比。由于内层孔径最大、接触角最大（疏水），外层孔径最小、接触角最小（亲水），因此外层毛细力最强，内层最弱，形成了一个从内到外逐渐增强的“拉力”。这种设计巧妙解决了传统Janus润湿材料中阶梯润湿梯度易产生液体钉扎、而渐变润湿梯度又难以抑制反向渗透的矛盾。定量测试表明，该超织物正向（内至外）突破压力仅为2.8厘米水柱，而反向（外至内）突破压力高达15.0厘米水柱。在湿度管理测试中，带有中间层的超织物底部水含量达到1529.3%，单向传输指数高达1330.7%，综合湿气管理能力值达到0.86，性能显著优于众多已报道的材料。与棉织物相比，该超织物能将模拟汗液迅速从皮肤排离，水分从22.6%降至0%仅需8分钟，展现出卓越的速干能力。

图3 (a,b) 水滴传输过程的数码图像。 (c) 梯度多孔超织物中毛细压力驱动液滴单向渗透的示意图。 (d) 简化的定向水传输机理。 (e) 突破压力测试。 (f) 无中间层和(g)有中间层超织物的水分管理测试结果，显示随时间变化的上表面和下表面含水量（%）。数据以平均值±标准差表示，n=3。 (h) 不同参考文献中织物的整体水分管理能力和R值比较。 (i) 棉与超织物导湿性能比较。 (j) 底部棉织物和顶部超织物的排汗和快速蒸发能力。 

为了全面评估户外个人冷却性能，研究团队在上海进行了实地测试。在峰值约每平方米654.2瓦的太阳辐照下，被超织物覆盖的模拟皮肤温度仅为41.5摄氏度，远低于未覆盖时的56.4摄氏度、棉织物覆盖的51.7摄氏度以及PA6织物覆盖的49.4摄氏度，分别低出14.9摄氏度、10.2摄氏度和7.9摄氏度。其理论净冷却功率达到每平方米110.1瓦。基于实测光学参数，团队利用Energy Plus软件对全球十个典型城市进行了建筑节能模拟。结果显示，在上海，使用该超织物的建筑每年可减少34.5吉焦的制冷负荷，相对于基准节能21.9%，并减少7.9吨二氧化碳排放。更引人注目的是，在模拟出汗状态下，该超织物的协同冷却策略展现出了惊人的效果。通过有限元模拟和实验证实，超织物内部的中间层优化了通道结构，将最大汗液传输速率提升至每秒190微米，并使外表面温度显著降低至27.8摄氏度。在实验室可控的出汗模拟中，当出汗速率达到每小时4毫升时，超织物的温度降至21.3摄氏度，相比干态下的41.5摄氏度实现了20.2摄氏度的巨大降温幅度。这一结果充分证明了热辐射、热传导与蒸发冷却三者的耦合策略在剧烈运动或个人热调节中的巨大潜力。

图4 (a) 户外冷却实验装置示意图。 (b) 日间净冷却功率的理论计算。 (c) 太阳强度和(d) 织物下方皮肤的温度曲线。 (e) 与暖通空调建筑相比，全球10个气候区对应10个城市的建筑冷却节能模拟结果。 (f) 全球地图上选定的10个城市位置。 (g) 不同城市的CO₂减排量。 (h-i) 有中间层和无中间层条件下，横截面上汗液流速及相应温度分布模拟结果比较（皮肤温度37°C）。 (j) 毛细爬升距离测试。 (k) 棉织物和超织物在有/无汗液蒸发作用下的温度变化过程。

除了优异的光热与湿气管理性能，该超织物还具备出色的实用性。分子动力学模拟和结合能计算表明，通过APTES改性的氮化硅与PA6基体之间具有更强的结合界面（结合能为-2.25电子伏特），远优于未改性组合（-0.15电子伏特），这赋予了超织物优异的机械鲁棒性。其断裂强力达92.8牛顿，拉伸强度为16.2兆帕，并能承受任意扭曲。经过20次机器洗涤后，其太阳光反射率和中红外发射率几乎没有变化，重量损失仅为7.1%。此外，该织物还表现出卓越的耐紫外老化性能、高于棉织物的透湿性（每天每平方米3218.7克）以及良好的透气性。

图5 (a) ASN与PA 6结合过程的分子动力学模拟。 (b) Si₃N₄-PA 6和ASN-PA 6的结合能。 (c,d) Si₃N₄/PA 6和ASN/PA 6结构内相互作用的相互作用区域指示散射图和等值面。 (e) 断裂强度和(f) 拉伸强度测试。 (g) 机洗前后超织物的太阳反射率。 (h) 透湿性和(i) 透气性测试。

综上所述，该仿生梯度多孔超织物通过将高达99.7%的太阳光反射率、93.3%的中红外发射率、0.49瓦每米每开尔文的高热导率以及1330.7%的单向传输指数等优异性能集于一身，在干态和出汗态下分别实现了10.2摄氏度和20.2摄氏度的显著降温。这项工作通过仿生结构设计，一举突破了传统纺织品在太阳光谱调控、热传导和湿气管理三方面的瓶颈，为开发下一代高效、节能的个人热湿管理纺织品提供了全新的视角，在户外作业、运动服饰以及绿色建筑等领域展现出巨大的应用潜力。