在当今社会，能源问题至关重要。建筑物和车辆中的热管理系统消耗了大量能源，其产生的二氧化碳排放加剧了全球碳足迹。寻找先进的隔热材料成为缓解热量损失、降低碳排放的关键。气凝胶，因其丰富的纳米多孔结构，在隔热领域展现出巨大潜力，被制成纤维应用于个人热管理纺织品。然而，现有气凝胶纤维存在诸多挑战，比如机械强度不够、隔热性能有限、制造成本高昂，这主要是由于微观和纳米尺度结构难以精确控制。像芳纶气凝胶这类通过湿纺方法制备的纤维，不可避免地会形成致密外层，减少了高效热障纳米空洞的体积分数，限制了纤维最终热阻的发展 。在这样的背景下，安徽农业大学、西安交通大学、浙江大学等机构的研究人员开展了深入研究，旨在突破现有气凝胶纤维的性能瓶颈。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用的主要关键技术方法有：一是微流控纺丝技术，通过定制的微流控芯片，精确控制各相流率，制备出凝胶原纤维；二是超临界干燥技术，对经过溶剂交换的凝胶纤维进行处理，得到最终的 GAFs；三是多种表征技术，利用场发射扫描电子显微镜观察样品形态、拉曼光谱分析分子结构变化、纳米机械驱动传感器测试机械性能、热红外相机和热导率分析仪评估隔热性能；四是粗粒化分子动力学模拟，验证孔隙对芳纶纤维机械性能的影响，计算有效热导率等 。
研究结果如下：

• 热绝缘性能研究：通过粗粒化分子动力学模拟，对比具有皮芯和梯度纳米结构的纤维模型的径向传热特性。结果显示，梯度纳米结构纤维外层疏松多孔，具有高储热能力，在梯度界面形成较大界面热阻，限制了径向热传递，其热导率比皮芯纤维降低了 40%，这表明调节气凝胶的径向纳米结构尺寸和空间分布可显著提升隔热性能。
• GAFs 的制备及结构表征：基于集成纳米剥离、微流控纺丝、溶胶 - 凝胶转变和超临界二氧化碳干燥的纺丝系统，成功制备出 GAFs。其形成过程包括 ANF 在微流控芯片中的非均匀空间分布、质子化引发的溶胶 - 凝胶转变以及超临界干燥过程中的结构反转。与湿纺的皮芯气凝胶纤维（SAFs）相比，GAFs 没有致密的外层，整体为纳米多孔结构，且通过改变 DMSO 流速可调节其梯度纳米多孔外层结构和厚度。
• 机械性能研究：对 SAFs 和 GAFs 的机械性能测试表明，虽然 SAFs 的杨氏模量较高，但 GAFs 的拉伸强度（29.5MPa）、断裂应变（39.2%）和韧性（5.7MJ m^-3）显著优于 SAFs。分子动力学模拟揭示，SAFs 在拉伸时表面致密层易形成微裂纹，而 GAFs 在拉伸过程中能保持结构完整性，纳米孔与纤维协同变形 。拉曼成像显示，GAFs 在拉伸时整体拉曼红移最小，表明其能有效耗散应力，内部应力最低。
• 隔热性能评估：通过红外热成像和热板实验，对比 SAFs 和 GAFs 以及由它们制成的织物的隔热性能。结果表明，GAFs 的隔热性能明显优于 SAFs，且 GAFs 织物在不同厚度下，在广泛温度范围内（-30°C 至 270°C）均表现出良好的隔热效果，其隔热性能超过了大多数先前报道的隔热纤维 。建立简化模型的模拟结果也证实，梯度密度模型（代表 GAFs）在密度界面处有明显的温度下降，热阻更大，模拟热导率与实验测量结果相符，且增加外层厚度可提高隔热效果。
  研究结论和讨论部分指出，研究人员成功制备出梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs）。其独特的结构是由微流控通道内的剪切取向和溶剂扩散形成，在超临界干燥后，形成平均孔径分别为 150nm 和 600nm 的鞘层和芯层 。实验和模拟均表明，这种梯度纳米结构在传热界面产生显著的界面热阻，使 GAFs 的径向热导率低至 0.0228W m^-1 K^-1 ，远低于空气和湿纺气凝胶纤维。同时，GAFs 独特的纳米缠结网络能有效耗散应力，使其具有出色的拉伸强度和断裂应变。该研究揭示了梯度纳米结构与优异机械和热性能之间的关系，为高性能气凝胶在建筑、交通和特种纺织品等领域的广泛应用提供了可能，具有重要的科学意义和实际应用价值。

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