清华张莹莹团队 AFM：基于丝胶蛋白-石墨烯的湿度响应“热开关”及其在自适应织物中的应用

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织物的一项重要功能是对人体散热速率进行调控，以保证人体的健康舒适。外界环境对人体体感温度具有显著的影响，例如，湿度较大的环境中，人体对寒冷的感觉更为明显，被称为“湿冷”。为了适应多变的外界环境，已经有一些研究工作通过调节织物的对流、辐射散热速率来实现响应性的动态热管理织物。然而，对基于调节织物热传导的策略还有待研究。

实现上述动态热传导织物的关键在于响应性热导可变材料（Thermal switching material, “热开关”）的研究，并使其同时具有柔性和人体友好性。最近，清华大学张莹莹课题组开发出了一种基于天然丝胶蛋白和石墨烯的对外界湿度响应的热导可变材料(Graphene-sericin hybrid, GS)。GS的热导率在不同的湿度环境中，可以呈现高达14倍的热导率变化。通过对实验探究及理论计算，GS的热导率的变化被归因于湿度诱导的界面热导的变化。进一步的，研究人员实现了基于GS的动态热管理织物，这种织物在干燥环境中呈现较低的热阻，在湿润环境中呈现较高的热阻，显示了应对“湿冷”环境不良感受的潜力。

基于团队在丝胶蛋白-纳米碳复合材料方面的工作基础，研究人员通过使用具有两亲性的天然丝胶蛋白的水溶液对膨胀石墨进行剥离和分散，实现了GS的简便、高效制备。结构分析表明在GS中丝胶蛋白呈现层层堆叠的“砖-泥”结构。

图1. GS的结构、热导响应机理及在织物体系中的应用概念。

通过与清华大学张兴教授、樊傲然博士合作，利用闪光拉曼法(Flash Raman method)测量了不同湿度环境下GS的热学性质，表明GS的热导率随湿度增加而降低，“开关比”最高可达14。对干、湿气氛中GS结构的表征显示，GS中存在石墨烯-蛋白界面的限域行为，另外GS的结构对湿度变化可以做出响应。通过与江南大学魏宁教授、李珍同学合作，对复合物体系进行了非稳态分子动力学模拟(Non-equilibrium molecular dynamics)，结果表明GS中的热传导受石墨烯-蛋白界面热导的控制，且这一界面热导随丝胶蛋白水合程度增加而降低。

图2. 对GS不同湿度下热学性质的表征结果。

图3. GS不同湿度下的结构变化及对不同水合状态的GS的NEMD模拟结果。

由于GS具有较高的热导率“开关比”、简单高效可持续的制备过程、良好的生物相容性，其有潜力用于热管理织物。研究人员将GS涂覆于普通织物上，赋予其对传导散热的调节性。实验表明，GS织物的热传导性能对于湿度具有迅速、可循环的响应，其性能对于拉伸、弯折等形变也具有良好的耐受性，显示了织物的功能性及柔性。另外，该功能化方法可以直接应用于具有复杂结构的成品衣物，如手套中，显示了基于GS的功能化策略的普适性。

图4. GS在响应性织物中的应用。

该工作以Highly Regulatable Heat Conductance of Graphene–Sericin Hybrid for Responsive Textiles 为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202111121）。文章第一作者是清华大学博士生梁晓平，张莹莹课题组梁华润、王灏珉、毕鹏博士、李硕、吴逊恩、陆浩杰参与了工作。合作者包括清华大学张兴教授、樊傲然博士，江南大学魏宁教授、李珍，西安工程大学樊威教授，美国亚利桑那大学郝庆教授。该工作得到国家自然科学基金委的支持。

在丝胶蛋白方面，该团队还曾报道了丝胶蛋白-碳纳米管基电子墨水（Advanced Materials 2020, 32, 2000165.）、丝胶蛋白基多模式发光碳点（Small2021, 17, 2103623.）等成果。本工作在之前的基础上，从一个新的角度展示了丝胶蛋白在智能穿戴领域的潜力。

原文链接：

http://doi.org/10.1002/adfm.202111121

丝胶蛋白-纳米碳复合材料方面的工作：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000165

工作介绍：

https://www.chem.tsinghua.edu.cn/info/1088/1905.htm

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