天然棉纖維因其卓越的柔軟性、蓬鬆感和保温性而成為服裝的主流材料。然而，棉花在活躍運動或寒冷天氣裝備中存在嚴重的性能限制：其親水結構如同海綿，吸收汗水和環境濕氣。一旦飽和，棉纖維會失去結構蓬鬆感，並迅速將熱量從身體導走，增加在極端零下環境中發生嚴重低體温的風險。為瞭解決這一基本的熱力學缺陷，中國科學院的工程團隊開發出一種輕量、柔韌且完全疏水的材料，模仿棉花的觸感蓬鬆性。
該研究依賴於一種先進材料，即相變纖維氣凝膠（PCFA）。
與靜態保温材料不同，這種活性合成紡織品能夠動態儲存和釋放熱能，同時完全不受水分吸收的影響。PCFA 原型的結構包含一種高度多孔、柔韌的特殊疏水聚合物纖維網絡。工程師們並沒有僅僅施加表面的防水塗層——這種塗層在歷史上往往會被洗掉或使衣物變得僵硬——而是在製造過程中將密集的微膠囊矩陣嵌入聚合物纖維的核心。這些微膠囊中包含一種專門設計的相變烴化合物，作為自主的熱量守門人。
PCFA 材料在極端環境中的卓越表現
在標準或相對涼爽的環境温度下，烴分子以高度組織的緊密晶體模式排列。這種結合行為物理上將周圍的聚合物纖維鎖在一起，形成一個密集的靜態邊界層，將穿戴者的體熱困在局部的微小空間內。PCFA 紡織品的主要創新在於其能夠在特定的熱閾值下進行自主的分子轉變。當環境温度或身體活動使面料達到精確的過渡温度 26.2°C（79.16°F）時，內部的烴會進行控制的相變化，從晶體固體融化為非晶體流體。
這一熱力學相變迫使微膠囊矩陣放鬆，開放纖維結構以釋放儲存的熱量，並使熱導率略微提高。
在使用 6 英寸×20 英寸的樣本進行的廣泛實驗室應力測試中，該材料能夠自動在保熱和散熱循環之間切換，以應對變化的環境空氣流。當在-25°C（-13°F）的極端零下模擬下進行測試時，包裹在 PCFA 原型中的手部保持的温暖程度顯著高於包裹在相同厚度的天然棉保温材料中的手部，證明其卓越的熱屏障效率。
在重視實際耐用性的情況下，這種合成氣凝膠顯示出完全的防潮能力。在面對高濕度環境和直接水滴衝擊時，PCFA 樣本能夠主動排斥液體，保持完全乾燥，而相鄰的天然棉樣本則迅速吸收濕氣。該材料在重複彈性測試中也展示出卓越的機械彈性和耐用性，當緊緊包裹在持續彎曲的機械手指周圍時仍能保持其結構完整性。為了驗證該面料在户外裝備中的商業可行性，研究團隊對 PCFA 樣本進行了連續二十次的高周轉工業洗滌循環。
洗滌後的審查顯示，該材料完全抵抗纖維脱落，迅速恢復至原來的蓬鬆體積，並保持 97%的基線熱量捕獲能力。
研究人員指出，由於相變材料安全地微膠囊化，無法在穿戴者身上洩漏或隨時間降解，為高耐用、低維護的極端天氣服裝系列鋪平了道路。這一突破首先發表於期刊《ACS Energy Letters》。
