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  2026年3月17日，南開大學(xué)劉遵峰和中國藥科大學(xué)周湘研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“Creating Nanoknot-Like Domains for Robust Artificial Spider Silk Toward High Twistocaloric Performance”的研究論文。

  該研究受天然蜘蛛絲多層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過分子設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種具有“納米節(jié)”結(jié)構(gòu)的聚二脲彈性體纖維，攻克了聚合物制冷材料在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)難以兼顧循環(huán)壽命的難題。該材料實(shí)現(xiàn)了高達(dá)-17.1 K的制冷溫度和89.7%的卡諾效率，并展現(xiàn)出12萬次的超長循環(huán)壽命，為新一代綠色固態(tài)制冷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。

圖1 蜘蛛絲啟發(fā)的聚二脲纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能比較

  在現(xiàn)代社會(huì)，制冷技術(shù)消耗了全球約20%的電力資源。然而，傳統(tǒng)基于蒸汽壓縮的制冷系統(tǒng)不僅能效提升遭遇瓶頸，其使用的氣態(tài)制冷劑往往具有強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)。尋找高效、環(huán)保的固態(tài)制冷技術(shù)已成為全球科研領(lǐng)域的前沿課題。近年來，扭熱制冷（Twistocaloric cooling）作為一種新興的固態(tài)制冷方式，因其利用聚合物纖維在扭轉(zhuǎn)/拉伸過程中的熵變產(chǎn)生制冷效應(yīng)，具有極高的能量轉(zhuǎn)換潛力，引起了廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有的聚合物制冷材料普遍面臨一個(gè)棘手的問題：若要獲得大的制冷溫降，通常需要極大的形變量，這會(huì)導(dǎo)致高分子鏈滑移，從而縮短材料的使用壽命；而過度的交聯(lián)雖然能提升穩(wěn)定性，卻會(huì)顯著抑制材料的熵變，犧牲制冷效果。

  針對(duì)這一難題，該團(tuán)隊(duì)通過仿生設(shè)計(jì)，提出了一種全新的解決思路，并取得了重要突破。

  自然界中，蜘蛛絲以其卓越的力學(xué)性能著稱，兼具高強(qiáng)度與高韌性，其秘密在于復(fù)雜的層級(jí)結(jié)構(gòu)以及納米尺度的結(jié)構(gòu)單元協(xié)同作用。受此啟發(fā)，我們將目光聚焦于分子尺度的結(jié)構(gòu)調(diào)控，提出構(gòu)建類似“結(jié)點(diǎn)”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)單元。

  在本研究中，創(chuàng)新性地提出了“納米結(jié)（nanoknot-like domains）”的分子設(shè)計(jì)策略。通過合理設(shè)計(jì)聚二脲彈性體中的硬段與軟段結(jié)構(gòu)，使材料在納米尺度上形成類似“納米結(jié)”的結(jié)構(gòu)域。這些納米結(jié)不僅可以作為穩(wěn)定的物理交聯(lián)點(diǎn)，還能夠在外力作用下發(fā)生可逆變形，從而在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。

  具體而言：（1）柔性軟段提供足夠的構(gòu)象自由度，有利于產(chǎn)生較大的熵變；（2）剛性硬段通過多重氫鍵和π–π相互作用形成穩(wěn)定“納米結(jié)”結(jié)構(gòu)；（3）二者協(xié)同作用，在納米尺度上形成高度可調(diào)控的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在扭轉(zhuǎn)/釋扭過程中實(shí)現(xiàn)高效、可逆的熵變響應(yīng)，從而獲得高達(dá)?17.1 K的降溫幅度、89.7%的卡諾效率。這些指標(biāo)在聚合物扭熱制冷材料中處于國際領(lǐng)先水平，表明該體系在能量轉(zhuǎn)換效率方面具有巨大潛力。

圖2. 聚二脲纖維的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與扭熱制冷性能

  為了深入理解材料性能提升的內(nèi)在機(jī)制，我們結(jié)合多種表征手段與理論模擬進(jìn)行了系統(tǒng)研究。納米結(jié)結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。高密度氫鍵相互作用使硬段形成緊密的納米聚集結(jié)構(gòu)，同時(shí)維持適度的微相分離尺度（納米級(jí)），從而避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。該結(jié)構(gòu)有效抑制了分子鏈滑移與不可逆形變，降低了能量耗散，使更多機(jī)械輸入能量轉(zhuǎn)化為熱效應(yīng)。在扭轉(zhuǎn)過程中，材料內(nèi)部鏈段發(fā)生取向與局部結(jié)晶；在釋扭過程中，這些有序結(jié)構(gòu)迅速解體并吸收熱量，從而產(chǎn)生顯著降溫。這種“扭轉(zhuǎn)取向-結(jié)晶-熔融”的協(xié)同機(jī)制，進(jìn)一步放大了材料的熱響應(yīng)能力。

  論文的第一作者為南開大學(xué)21級(jí)博士研究生李家田，通訊作者為南開大學(xué)劉遵峰教授和中國藥科大學(xué)周湘副教授。這篇論文得到了Ray H. Baughman院士的悉心指導(dǎo)與修改，先生治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，視野開闊，對(duì)后輩更是傾囊相授。遺憾的是，先生已于2025年永遠(yuǎn)離開了我們，沒能親眼看到這篇凝聚著他心血與期許的文章正式刊出。斯人已逝，風(fēng)骨長存，先生的教誨與治學(xué)精神我會(huì)永遠(yuǎn)銘記于心。

  謹(jǐn)以此文，致敬并深切緬懷 Ray H. Baughman 教授！

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202516934

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授課題組招收博士生（2026年入學(xué)）博士名額充足，歡迎報(bào)考！

招聘內(nèi)容

博士生

學(xué)科方向

材料學(xué)，化學(xué)，高分子、物理、生物學(xué)、紡織與纖維、金屬、計(jì)算模擬、電子信息等學(xué)科

實(shí)驗(yàn)室介紹：

劉遵峰，南開大學(xué)杰出教授、二級(jí)教授，國家杰青，化學(xué)學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人，高分子材料專家。主持國家、省部級(jí)項(xiàng)目40余項(xiàng)，獲國家杰出青年基金、天津市杰出青年基金、天津市青年千人、天津市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、天津交叉科學(xué)學(xué)會(huì)理事、中國生物材料學(xué)會(huì)特種醫(yī)學(xué)材料與器械分會(huì)副主任委員。江蘇省優(yōu)秀科技工作者、常州市科技智庫專家。

課題組經(jīng)費(fèi)充足，博士生指標(biāo)充足，研究方向前沿，歡迎有良好學(xué)術(shù)基礎(chǔ)與科研興趣的同學(xué)報(bào)考！

研究方向?yàn)椋焊叻肿硬牧稀⒛z纖維材料、仿生智能高分子材料，生物醫(yī)用材料、高強(qiáng)韌纖維材料、智能纖維材料、高強(qiáng)韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。在 Science (2), Nature Sustainability, Nat. Commun., Adv. Mater.等國際學(xué)術(shù) SCI 期刊上發(fā)表研究論文 160 余篇。其中2015年關(guān)于可拉伸導(dǎo)體的研究工作被美國《Discover Magazine》評(píng)選為2015年度全球TOP100重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)；2019年關(guān)于“扭熱制冷”的工作首創(chuàng)了扭轉(zhuǎn)制冷新方法，大幅提高了制冷效率；開發(fā)了多種人工肌肉纖維材料，應(yīng)用于軟體機(jī)器人、智能醫(yī)療方向；研發(fā)的水凝膠纖維人造蜘蛛絲強(qiáng)度與韌性性能接近天然蜘蛛絲，應(yīng)用于生物醫(yī)用敷料、手術(shù)縫合線、人工肌腱、韌帶等；基于智能纖維材料發(fā)展了多種智能織物，用于智能可穿戴設(shè)備和柔性電子器件。多篇關(guān)于柔性健康監(jiān)測(cè)的文章被選為封面文章，受邀撰寫多篇綜述，授權(quán)中國專利20余項(xiàng)，在多個(gè)國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告100余次。獲天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（排名第1）。

網(wǎng)址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn

研究方向：

1.高強(qiáng)韌纖維、人造蛛絲、智能材料等

2.人工肌肉、傳感器與柔性智能系統(tǒng)、纖維制冷等

3.生物醫(yī)用纖維材料等

基本要求：

1.博士招收采取推免制，具有獨(dú)立的科研能力，英語水平良好（6級(jí)或其它相當(dāng)水平），具有發(fā)表英文學(xué)術(shù)論文經(jīng)驗(yàn)；有良好教育背景和科研經(jīng)歷；性格開朗，有良好的團(tuán)隊(duì)合作和對(duì)外溝通能力；

2. 能夠協(xié)助合作導(dǎo)師管理和完成科研項(xiàng)目并協(xié)助指導(dǎo)研究生。

3. 要求應(yīng)聘人員工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，踏實(shí)肯干，具團(tuán)隊(duì)精神。

應(yīng)聘方式：

（一）請(qǐng)應(yīng)聘者將簡歷及相關(guān)證明材料（文章、成果情況等）通過郵件，以“應(yīng)聘崗位＋姓名”為主題發(fā)送至以下郵箱：liuzunfeng@nankai.edu.cn

（二）將以郵件或電話的方式通知通過初選的應(yīng)聘者，前來參加本單位組織面試。

代表性論著:

向上滑動(dòng)閱覽

1. Run Wang^#, Shaoli Fang^#, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman* et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers, Science, 2019, 366(6462): 216-221.

2. Zunfeng Liu, Shaoli Fang*, Ray H. Baughman* et al. Hierarchically Buckled Fibers for Superelastic Electronics, Sensors, and Muscles, Science, 2015, 349(6246): 400-404 .

3. Yu, K., Li, C., Gu, W., Wang, M., Li, J., Wen, K., Xiao, Y., Liu, S., Liang, Y., Guo, W., Zhao, W., Bai, J., Ye, D., Zhu, Y., Zhu, M.*, Zhou, X.*, Liu, Z*. High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing, Nature Sustainability, 2025, 8, p.411–421.

4. Xiang Zhou, Shaoli Fang, Xueqi Leng, Zunfeng Liu,* and Ray H. Baughman*. Power of the Fiber Twist. Acc. Chem. Res. 2021,https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00112

5.Yuanyuan Dou, Zunfeng Liu* et al. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres, Nat. Commun, 2019, 10, 5293.

6. Xiao, Y., Mei, G., Feng, D., Zhao, W., Leng, X., Qian, D., ... Liu, Z. Regenerative TwistocaloricHeat Pump. Adv. Mater., 2024, 10.1002/adma.202407009

7. He, W., Wang, M., Mei, G., Liu, S., Khan, A., Li, C., Feng, D., Su, Z., Bao, L., Wang, G., Liu, E., Zhu, Y., Bai, J., Zhu, M.*, Zhou, X.*, Liu, Z.*, Establishing superfine nanofibrils for robust polyelectrolyte artificial spider silk and powerful artificial muscles, Nature Communications, 2024, 15, 3485.

8. Wen, K., Zhang, C., Zhang, G., Wang, M., Mei, G., Zhang, Z., Zhao, W., Guo, W., Zhou, Q., Liu, E., Zhu, Y., Bai, J., Zhu, M., Wang, W.*, Liu, Z.*, Zhou, X.*, Jellyfish-inspired artificial spider silk for luminous surgical sutures, Advanced Materials, 2024, 36(36), 2314158.

9. Xiao, Y., Mei, G., Feng, D., Zhao, W., Guo, W.*, Leng, X., Qian, D., Zhao, W.*, Bai, J., Wang, Z., Zhu, M., Zhou, X.*, Liu, Z.*, Elastocaloric heat pump by twist induced periodical non-linear stress for low hysteresis and high carnot efficiency, Advanced Materials, 2024, 36(46), 2407009.

10. Zhao, W., Shao, F., Sun, F., Su, Z., Liu, S., Zhang, T., Zhu, M.*, Liu, Z.*, Zhou, X.*, Neuron-inspired sticky artificial spider silk for signal transmission, Advanced Materials, 2023, 35(32), 2300876.