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  織物的一項重要功能是對人體散熱速率進行調控，以保證人體的健康舒適。外界環(huán)境對人體體感溫度具有顯著的影響，例如，濕度較大的環(huán)境中，人體對寒冷的感覺更為明顯，被稱為“濕冷”。為了適應多變的外界環(huán)境，已經有一些研究工作通過調節(jié)織物的對流、輻射散熱速率來實現響應性的動態(tài)熱管理織物。然而，對基于調節(jié)織物熱傳導的策略還有待研究。

  實現上述動態(tài)熱傳導織物的關鍵在于響應性熱導可變材料（Thermal switching material, “熱開關”）的研究，并使其同時具有柔性和人體友好性。最近，清華大學張瑩瑩課題組開發(fā)出了一種基于天然絲膠蛋白和石墨烯的對外界濕度響應的熱導可變材料(Graphene-sericin hybrid, GS)。GS的熱導率在不同的濕度環(huán)境中，可以呈現高達14倍的熱導率變化。通過對實驗探究及理論計算，GS的熱導率的變化被歸因于濕度誘導的界面熱導的變化。進一步的，研究人員實現了基于GS的動態(tài)熱管理織物，這種織物在干燥環(huán)境中呈現較低的熱阻，在濕潤環(huán)境中呈現較高的熱阻，顯示了應對“濕冷”環(huán)境不良感受的潛力。

  基于團隊在絲膠蛋白-納米碳復合材料方面的工作基礎（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膨脹石墨進行剝離和分散，實現了GS的簡便、高效制備。結構分析表明在GS中絲膠蛋白呈現層層堆疊的“磚-泥”結構。

圖1. GS的結構、熱導響應機理及在織物體系中的應用概念。

  通過與清華大學張興教授、樊傲然博士合作，利用閃光拉曼法(Flash Raman method)測量了不同濕度環(huán)境下GS的熱學性質，表明GS的熱導率隨濕度增加而降低，“開關比”最高可達14。對干、濕氣氛中GS結構的表征顯示，GS中存在石墨烯-蛋白界面的限域行為，另外GS的結構對濕度變化可以做出響應。通過與江南大學魏寧教授、李珍同學合作，對復合物體系進行了非穩(wěn)態(tài)分子動力學模擬(Non-equilibrium molecular dynamics)，結果表明GS中的熱傳導受石墨烯-蛋白界面熱導的控制，且這一界面熱導隨絲膠蛋白水合程度增加而降低。

圖2. 對GS不同濕度下熱學性質的表征結果。

圖3. GS不同濕度下的結構變化及對不同水合狀態(tài)的GS的NEMD模擬結果。

  由于GS具有較高的熱導率“開關比”、簡單高效可持續(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，賦予其對傳導散熱的調節(jié)性。實驗表明，GS織物的熱傳導性能對于濕度具有迅速、可循環(huán)的響應，其性能對于拉伸、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用于具有復雜結構的成品衣物，如手套中，顯示了基于GS的功能化策略的普適性。

圖4. GS在響應性織物中的應用。

  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博士生梁曉平，張瑩瑩課題組梁華潤、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張興教授、樊傲然博士，江南大學魏寧教授、李珍，西安工程大學樊威教授，美國亞利桑那大學郝慶教授。該工作得到國家自然科學基金委的支持。

  在絲膠蛋白方面，該團隊還曾報道了絲膠蛋白-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（Small2021, 17, 2103623.）等成果。本工作在之前的基礎上，從一個新的角度展示了絲膠蛋白在智能穿戴領域的潛力。

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