综述：光热超疏水纺织品：从被动拒水到主动热管理的范式变革

《Nano-Micro Letters》：Photothermal Superhydrophobic Textiles: An Emerging Paradigm from Passive Water Repellency to Active Thermal Management

　　

光热超疏水纺织品代表了一种将主动光驱动功能与被动液体排斥性相融合的新兴范式。既往综述多将超疏水性与光热效应孤立讨论，本研究则率先系统解析了二者的协同耦合机制——这一关键且尚未被充分探索的机制体现为：超疏水性通过最小化水致热损失以维持光热转换效率，而光热活性则通过防止表面污染来避免非润湿性能衰减。通过对先进材料体系的详细案例研究，本综述阐明该协同作用如何推动自适应可穿戴技术、节能基础设施及环境友好型水处理领域的显著进展。研究人员提出了一条原创性的“实验室到生活（lab-to-life）”路线图，在材料设计、耐久性评估、环境影响评价与规模化制造策略之间建立了结构性关联，构建了现有文献中缺失的整体框架。本综述强调了紧迫的可持续发展优先事项，包括绿色材料替代、无毒溶剂加工工艺以及符合全球环境法规的循环设计原则。通过连接基础机制与实际应用场景，并勾勒人工智能（AI）加速材料发现、刺激响应系统及智能制造协议等变革性未来方向，本工作为推进下一代纺织品在可持续发展中实现技术复杂性与实用可行性的统一，提供了及时且可操作的参考。

1 引言

纺织品作为人类最古老的技术之一，正经历从提供基础舒适性的被动材料向能够与环境动态交互的主动多功能界面的革命性转变。超疏水纺织品受荷叶等自然范式启发，通过构建微纳分级结构并修饰表面化学性质，可捕获气垫以维持稳定的Cassie-Baxter润湿状态，从而实现卓越的拒水与自清洁能力，已广泛应用于防护服、防污织物及流体管理系统。然而，传统超疏水表面的固有被动性存在显著局限：其性能多呈反应性，依赖外部污染物或环境挑战，且无法主动应对低温结冰或动态热管理需求。当微滴从Cassie-Baxter态转变为Wenzel态时，会引发灾难性结冰。光热功能与超疏水性的集成标志着这一范式转变，所制备的纺织品不仅具有防护性，还具备适应性与多功能性。其核心在于物理微结构与光热纳米材料之间的协同作用：嵌入的等离子体纳米颗粒、碳基材料、共轭聚合物等光热剂可将光能高效转化为局域热。该热量不仅能防止冷凝形成，还可通过诱导Leidenfrost态、Marangoni流及融冰过程，实现液滴主动弹跳、自发滚落与除冰，将纺织品从静态屏障转化为动态界面。该材料平台兼具太阳能驱动的去污、协同液滴排斥与防/除冰、高效界面干燥及织物基底固有的柔韧性等优势。现有文献多孤立讨论超疏水织构或光热功能，且常将织物基底视为被动支架，忽视了其形态与毛细管特性对液滴行为与热管理的显著影响。本综述通过对比代表性纺织类综述，明确了自身定位：系统考察光热功能与超疏水性的双向耦合、织物基底的作用、基底依赖的制备策略、面向应用的性能需求及规模化挑战，填补了该交叉领域的研究空白。研究人员致力于解析二者相互作用的深层机制，建立结构-活性关系模型，阐明光热效应如何主动维持Cassie-Baxter态稳定性，以及超疏水性如何反过来影响光热能量耗散。此外，本综述建立了光热超疏水织物基底的分类体系，关联基底性质与应用性能，并批判性评估了适用于织物基底的制备技术及其对耐久性与规模化的影响。通过构建连接界面科学、光热化学与纺织工程的理论框架，识别了热阈值、纳米材料长期稳定性等未解科学问题，提出了预测性设计规则，并涵盖从个人热管理到环境修复的广泛应用分析，最终以“实验室到生活”视角系统评估了规模化与可持续性挑战，提出了标准化测试方案，旨在加速该多功能材料体系的学术创新与工业应用。

2 超疏水表面的基本原理

光热超疏水纺织品的开发植根于表面润湿原理，但织物分级、柔性及多孔的特性使得直接套用刚性光滑表面的润湿理论并不适用。

2.1 水接触角（WCA）

水接触角是表征表面润湿性的首要指标。理想光滑表面的平衡接触角遵循杨氏方程。纺织品作为多孔纤维集合体，其表观接触角受表面形貌与毛细效应主导。为实现接触角大于150°，需同时满足疏水纤维化学与分级粗糙度构建的固-气-液复合界面。该设计原则受生物系统启发：荷叶的微乳突与蜡晶构建的“荷叶效应”、仙人掌的不对称刺结构、沙漠甲虫的亲疏水图案化背板以及蚊子复眼的六角形乳突阵列，均为柔性多孔基底上构建稳健超疏水结构提供了几何参数参考。

2.2 润湿模型

Wenzel模型描述液体渗入表面粗糙结构的均质润湿，在纺织品中意味着液体穿透纤维间隙，导致高粘附与透气性丧失。Cassie-Baxter模型描述液滴下捕获气垫的复合界面，其中固-液接触分数在纺织品中受纤维密度、纱线捻度及织物结构动态影响，并在机械压力下因纤维形变而改变。纺织品的多尺度分级结构为复合界面提供了优异的稳定性。

2.3 动态接触角与复合界面的润湿行为

动态润湿行为由接触角滞后表征，低滞后（<10°）是实现自清洁的关键，但在纺织品上因表面异质性与纤维柔性而难以实现。织物复杂的拓扑结构提供了丰富的三相接触线钉扎位点，且纤维在接触线张力下的形变会进一步增大滞后，尤其体现在后退角上。此外，织物孔隙引入了毛细效应：当本征接触角小于90°时，正毛细压力驱动液体渗透；大于90°时，负压力抑制渗透，从而支持Cassie-Baxter态。对于光热超疏水纺织品，光热加热可降低液体表面张力并促进接触线处的蒸发，从而缓解纺织品典型的高接触角滞后问题。

3 光热表面的基本原理

光热转换涉及将吸收的光能转化为局域热，其机制取决于材料的电子结构，主要包含等离子体局域加热、非辐射弛豫及分子热振动三类。织物的多孔纤维结构影响光散射与热分布，而超疏水微结构中捕获的气层作为绝热体可增强局域加热。

3.1 等离子体局域加热

该机制源于金属纳米结构中的自由电子在光激发下发生集体振荡，即表面等离子体共振。通过调控纳米颗粒的尺寸、形貌与介质环境，可实现共振波长的精确调控。吸收的能量通过电子-电子与电子-声子散射迅速转化为热量。在纺织品应用中，银/聚二甲基硅氧烷（Ag/PDMS）涂层棉织物利用Ag纳米颗粒的局域表面等离子体共振实现高效光热加热，兼具紫外防护与抗菌活性。此外，负载杂化金纳米凝胶的棉织物在可见光照射下可在50秒内升温约22.6°C，展现了优异的光热转换效率。

3.2 非辐射弛豫

该机制在半导体材料中占主导，包括金属有机框架、过渡金属二硫化物（如MoS₂、WS₂）及氮化钛（TiN）等金属陶瓷。当吸收的光子能量大于或等于带隙时，价带电子跃迁至导带形成电子-空穴对，随后通过非辐射复合将激发能转化为晶格振动与体相加热。聚对苯二甲酸乙二醇酯/二硫化钼（PET/MoS₂）杂化纤维在红外照射下升温约10°C，适用于个人热管理。TiN基多层织物在1.0倍太阳光照下约50秒即可完成融冰，体现了光热加热与超疏水微结构降低热阻的协同效应。

3.3 分子热振动

该机制主要基于碳基纳米材料与共轭聚合物（如石墨烯、碳纳米管、聚吡咯）中的π共轭体系。这些材料具有宽谱光吸收特性，受激后的分子内振动弛豫是光热转换的主要途径。聚吡咯沉积的相变微胶囊织物及木质素介导的氧化石墨烯/棉织物，均利用该机制实现了高效的光热能量转换与存储。