DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620407
تاريخ النشر: 2026-01-31
المؤلف: Xiaoye Geng وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتعزيز المواد ذات تغيير الطور (PCMs) لأنظمة إدارة الحرارة القابلة للارتداء من خلال دمج أنابيب الكربون النانوية (CNTs) فائقة الانخفاض في الشبكات البوليمرية المتداخلة ثلاثية الأبعاد (IPNs). تتناول هذه الاستراتيجية الموجهة نحو تكنولوجيا النانو التحديات المتعلقة بكثافة تخزين الطاقة، والمتانة الميكانيكية، واستقرار تغيير الطور. تظهر الألياف ذات تغيير الطور (PCFs) الناتجة قدرات تخزين حرارة كامنة مثيرة للإعجاب (∆Hm = 139.0 J•g$^{-1}$، ∆Hc = 138.0 J•g$^{-1}$) واستقرار حراري استثنائي، يُعزى إلى النوى غير المتجانسة الناتجة عن CNT.
علاوة على ذلك، تُظهر الألياف (PCFs) قوة ميكانيكية كبيرة (ɛ = 1530%، σ = 6.32 MPa) وكفاءة عالية في جمع الطاقة الضوئية الحرارية (η = 90.5% عند 120 mW•cm$^{-2}$)، مما يسهل من خلال تحسين الربط الحراري بين الواجهات من شبكة CNT. يسمح الهيكل الليفي بقطع وخياطة عالية الدقة (> 98%) أثناء تصنيع الأقمشة، مما يعزز الإنتاج القابل للتوسع للأقمشة التي تنظم الحرارة بكفاءة في استخدام الطاقة. يضع هذا العمل إطارًا شاملاً لتطوير الأقمشة الذكية ذات التنظيم الذاتي، مما يربط الفجوة بين الابتكارات المخبرية في هندسة تغيير الطور وتطبيقاتها الصناعية في الأنظمة الحرارية القابلة للارتداء.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لتحسين أنظمة إدارة الحرارة في قطاع البناء، الذي يتحمل مسؤولية 40% من استهلاك الطاقة العالمي و36% من انبعاثات CO2 الناتجة عن الأنشطة البشرية. أنظمة التكييف التقليدية غير فعالة، حيث تقل كفاءتها الحرارية عن 40%، ويرجع ذلك أساسًا إلى متطلبات توحيد درجة الحرارة الصارمة. بديل واعد هو تطوير أنظمة الراحة الحرارية الشخصية القابلة للارتداء (PTCS) باستخدام أقمشة مبتكرة ومواد تغيير الطور (PCMs) التي يمكن أن تنظم المناخات الدقيقة المحلية حول جسم الإنسان. يمكن أن تعزز هذه الأنظمة كفاءة الطاقة وتوفر راحة حرارية شخصية من خلال فصل راحة الإنسان عن التكييف البيئي.
يقدم البحث نهجًا جديدًا لإنشاء ألياف تغيير الطور (PCFs) التي تستفيد من تكنولوجيا النانو وهندسة تدرج البلورات. من خلال دمج أنابيب الكربون النانوية (CNTs) فائقة الانخفاض في هيكل شبكة بوليمرية متداخلة ثلاثية الأبعاد (3D-IPN)، حقق الباحثون تحسينات كبيرة في كثافة تخزين الحرارة وقدرات التنظيم الحراري التكيفية. أظهرت الألياف الناتجة سعة تخزين حرارية قدرها 139.0 J•g⁻¹ وتنظيم فعال لدرجة الحرارة، قادرة على إدارة تقلبات درجة حرارة الجسم بحوالي 5 °C. على الرغم من إمكانيات هذه المواد، لا تزال التحديات مثل الموصلية الحرارية المنخفضة وعدم استقرار البنية المجهرية تشكل عوائق أمام تطبيقها الصناعي. تظهر الألياف المذابة ذات المكونين المقترحة وعدًا في التغلب على هذه القيود، مما يوفر حلاً قابلاً للتوسع للملابس الذكية المصممة لتعزيز تكيف الإنسان في ظروف بيئية قاسية.
طرق
في هذه الدراسة، كانت المادة الأساسية ذات تغيير الطور (PCM) المستخدمة هي الن-docosane (C22)، المستمدة من Shanghai Mackin Biochemical. يعتبر اختيار الن-docosane مهمًا بسبب نقطة انصهاره المناسبة وخصائصه الحرارية، والتي تعتبر أساسية لتطبيقات تخزين الطاقة الحرارية الفعالة.
شملت الإجراءات التجريبية تحديد سلوك PCM الحراري، بما في ذلك درجات حرارة الانصهار والتصلب، باستخدام قياس الحرارة التفاضلي (DSC). بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتقييم الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية للن-docosane لتقييم أدائه في أنظمة تخزين الطاقة. توفر النتائج المستخلصة من هذه الطرق رؤى حاسمة حول كفاءة وقابلية تطبيق الن-docosane كمادة PCM في سيناريوهات إدارة الحرارة المختلفة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير الذي تم تحقيقه من خلال عملية تمديد متعددة المراحل في تصنيع الألياف ذات تغيير الطور القائمة على الكربون (PCFs) التي تضم الن-docosane وأنابيب الكربون النانوية (CNTs). تعزز هذه العملية توجيه الجزيئات والتبلور، كما يتضح من تحليلات قياس الحرارة التفاضلي (DSC) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، التي تظهر تحسينًا في كمال البلورات وحجمها مع التمديد المتكرر. تم تحديد التوازن الأمثل لدورات التمديد على أنه ثلاث، مما يزيد من الأداء الميكانيكي مع تقليل خطر كسر CNT وأضرار الواجهة. تُظهر التركيبة النهائية المركبة، التي تتكون من 62.5 wt.% من الن-docosane، و11.25 wt.% من SEBS، و26.25 wt.% من HDPE، استقرارًا هيكليًا ممتازًا وخصائص مقاومة للتسرب، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
علاوة على ذلك، يعمل دمج CNTs كعامل نوى، مما يعزز الموصلية الحرارية والخصائص الميكانيكية للألياف. تكشف الدراسة أن تركيزات CNT المنخفضة (0.1 wt.%) تسهل النوى غير المتجانسة وتسريع حركية التبلور، بينما تحد التركيزات الأعلى (>0.5 wt.%) من حركة الجزيئات وتقلل من البلورية العامة. توضح محاكاة الديناميات الجزيئية بشكل أكبر التأثيرات المعتمدة على التركيز لـ CNTs على سلوك التبلور، مما يشير إلى أن كمية صغيرة من CNTs تخفض بشكل فعال حواجز النوى وتعزز الهياكل البلورية المستقرة. تؤكد النتائج على الاعتماد الثنائي الوضع لـ CNTs على حركية التبلور، مما يبرز إمكاناتها كعوامل تعزيز فعالة في الأقمشة المنظمة للحرارة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620407
Publication Date: 2026-01-31
Author(s): Xiaoye Geng et al.
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
The research presents a novel approach to enhancing phase-change materials (PCMs) for wearable thermal management systems by integrating ultralow carbon nanotubes (CNTs) into three-dimensional interpenetrating polymer networks (IPNs). This nanotechnology-directed strategy addresses the challenges of energy storage density, mechanical robustness, and phase-change stability. The resulting phase-change fibers (PCFs) exhibit impressive latent heat storage capabilities (∆Hm = 139.0 J•g$^{-1}$, ∆Hc = 138.0 J•g$^{-1}$) and exceptional thermal stability, attributed to CNT-induced heterogeneous nucleation.
Moreover, the PCFs demonstrate significant mechanical strength (ɛ = 1530%, σ = 6.32 MPa) and high photothermal energy harvesting efficiency (η = 90.5% at 120 mW•cm$^{-2}$), facilitated by enhanced interfacial thermal coupling from the CNT network. The fibrous structure allows for high-fidelity cutting and sewing (> 98%) during textile manufacturing, promoting scalable production of energy-efficient thermal-regulating fabrics. This work establishes a comprehensive framework for the development of self-regulating smart textiles, bridging the gap between laboratory innovations in phase-change engineering and their industrial applications in wearable thermal systems.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for improved thermal management systems in the building sector, which is responsible for 40% of global energy consumption and 36% of anthropogenic CO2 emissions. Conventional HVAC systems are inefficient, with thermal efficiencies below 40%, primarily due to strict temperature uniformity requirements. A promising alternative is the development of wearable personal thermal comfort systems (PTCS) utilizing innovative textiles and phase-change materials (PCMs) that can regulate localized microclimates around the human body. These systems can enhance energy efficiency and provide personalized thermal comfort by decoupling human comfort from environmental conditioning.
The paper introduces a novel approach to creating phase-change fibers (PCFs) that leverage nanotechnology and gradient crystallinity engineering. By incorporating ultralow carbon nanotubes (CNTs) into a three-dimensional interpenetrating polymer network (3D-IPN) structure, the researchers achieved significant improvements in thermal storage density and adaptive thermal regulation capabilities. The resulting fibers demonstrated a heat storage capacity of 139.0 J•g⁻¹ and effective temperature regulation, capable of managing body temperature fluctuations by approximately 5 °C. Despite the potential of these materials, challenges such as low thermal conductivity and microstructural instability remain barriers to their industrial application. The proposed dual-component melt-spun fibers show promise in overcoming these limitations, offering a scalable solution for smart garments designed to enhance human adaptability in extreme environmental conditions.
Methods
In this study, the primary phase change material (PCM) utilized was n-docosane (C22), sourced from Shanghai Mackin Biochemical. The selection of n-docosane is significant due to its suitable melting point and thermal properties, which are essential for effective thermal energy storage applications.
Experimental procedures involved characterizing the PCM’s thermal behavior, including its melting and solidification temperatures, using differential scanning calorimetry (DSC). Additionally, the study assessed the thermal conductivity and specific heat capacity of n-docosane to evaluate its performance in energy storage systems. The findings from these methods provide critical insights into the efficiency and applicability of n-docosane as a PCM in various thermal management scenarios.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant advancements achieved through a multi-stage stretching process in the fabrication of carbon-based phase-change fibers (PCFs) incorporating n-docosane and carbon nanotubes (CNTs). This process enhances molecular orientation and crystallization, as evidenced by differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD) analyses, which show improved crystal perfection and size with successive stretching. The optimal balance of stretching cycles is identified as three, which maximizes mechanical performance while minimizing the risk of CNT fracture and interface damage. The final composite formulation, comprising 62.5 wt.% n-docosane, 11.25 wt.% SEBS, and 26.25 wt.% HDPE, demonstrates excellent structural stability and leakage-proof characteristics, making it suitable for various applications.
Moreover, the incorporation of CNTs serves as a nucleating agent, enhancing the thermal conductivity and mechanical properties of the fibers. The study reveals that low CNT concentrations (0.1 wt.%) facilitate heterogeneous nucleation and accelerate crystallization kinetics, while higher concentrations (>0.5 wt.%) restrict molecular mobility and reduce overall crystallinity. Molecular dynamics simulations further elucidate the concentration-dependent effects of CNTs on crystallization behavior, indicating that a small amount of CNTs effectively lowers nucleation barriers and promotes stable crystalline structures. The findings underscore the dual-mode dependence of CNTs on crystallization kinetics, highlighting their potential as effective reinforcement agents in thermoregulation textiles.