史上“最黑”羊毛衫，登上Nature子刊！

自然啟發(fā)的超黑羊毛紡織品：邁向可穿戴光學材料新突破

自然界中，許多生物如鳥類、魚類和昆蟲擁有“超黑”表皮或羽毛，其可見光反射率低于0.5%。這種極端黑色源自復雜的納米/微米結構，能有效捕捉光線。然而，人工合成的超黑材料往往制備工藝復雜、成本高昂、使用有毒物質，且缺乏柔軟性、透氣性與生物相容性，難以應用于日常紡織品。如何開發(fā)一種兼具超黑特性與穿著舒適性的紡織材料，成為科研與產業(yè)界共同面臨的挑戰(zhàn)。

近日，康奈爾大學Larissa M. Shepherd課題組研究提出了一種簡單且環(huán)保的兩步法，將普通羊毛轉化為超黑羊毛織物。該方法首先通過聚多巴胺對美利奴羊毛進行染色，再經等離子體處理形成納米纖維結構，最終制備出的超黑羊毛平均反射率僅為0.13%，是目前已知最黑的紡織品。該材料不僅保持羊毛原有的透氣性、柔韌性與生物相容性，還具備廣角光學穩(wěn)定性，在120°視角范圍內均呈現均勻黑色，展現出作為可穿戴光學材料的巨大潛力。相關論文以“Ultrablack wool textiles inspired by hierarchical avian structure”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究靈感來源于天堂鳥科華麗緞藍鳥的羽毛結構。其羽枝呈密集傾斜排列，內部具有黑色素納米結構，實現極低的反射率。圖1展示了這種羽毛的掃描電鏡圖像，以及受其啟發(fā)設計的黑色連衣裙：中間部分采用本研究制備的超黑羊毛，周圍對比使用市售黑色滌綸混紡織物。圖1c進一步說明制備過程：白色美利奴羊毛經聚多巴胺染色后，再經等離子蝕刻形成表面納米纖維，最終獲得超黑羊毛。在不同標準光源下，超黑羊毛幾乎不反射任何光線，而普通染色羊毛仍可見明顯明暗差異。

圖1 | 納米/微米結構的視覺與顯微表面分析。 a. 華麗緞藍鳥（天堂鳥科）羽毛羽枝/羽小枝的掃描電鏡圖像。小圖為該鳥照片。 b. 受天堂鳥啟發(fā)的黑色連衣裙，采用黑色滌綸混紡織物與超黑羊毛中心飾片。 c. 制備超黑羊毛的兩步法示意圖。 d. 超黑羊毛與對照樣品（聚多巴胺染色羊毛）在兩種標準光源下的外觀。 e. 白色美利奴羊毛、等離子處理羊毛、染色羊毛及不同蝕刻時間處理樣品的光學照片與對應掃描電鏡圖像。 f. 暗室中戰(zhàn)術手電照射方向示意圖。 g. 手電垂直照射樣品的效果。 h. 手電以60°斜角照射樣品的效果。

通過X射線光電子能譜（圖2）與傅里葉變換紅外光譜分析，研究團隊確認了聚多巴胺成功滲入纖維內部，而非僅表面涂層。等離子蝕刻后，織物表面氮碳比和硫含量升高，表明羊毛表皮脂質層被去除，蛋白質結構暴露，有利于光吸收。表1總結了各階段樣品的元素組成變化，顯示蝕刻后鋁元素出現，其不均勻沉積反而促使納米纖維束形成，增強光捕獲能力。

圖2 | 高分辨率X射線光電子能譜圖。 a. 白色美利奴羊毛，b. 聚多巴胺染色羊毛，c. 超黑羊毛的C 1s、N 1s、O 1s、S 2p譜線。

表1 | 白色羊毛、蝕刻羊毛、染色羊毛與超黑羊毛的原子濃度對比。

光學性能測試結果如圖3所示。超黑羊毛在可見光波段反射率極低，且透射率也顯著下降，表明其納米結構有效提升了光吸收。與市售超黑植絨面料相比，超黑羊毛不僅反射率更低，還具備更優(yōu)的視角穩(wěn)定性：在±60°傾斜范圍內，其“反射-透射總和”保持對稱且低位，而植絨面料在特定角度出現明顯反射峰，導致黑色表現不均。此外，超黑羊毛在近紅外波段也表現出高吸收性，在夜視攝像頭下比其它面料更顯黑暗。

圖3 | 分光光度分析。 a. 各樣品在RGB色彩體系中的強度對比。 b. 可見光范圍內的總反射率、總透射率與總吸收率。 c. 各織物明度值、克重、體積及光學參數對比。 d. 羊毛樣品隨角度變化的反射-透射總和。 e. 超黑羊毛與市售超黑植絨面料的角度依賴性對比。

為進一步理解結構對光學行為的影響，團隊通過有限時域差分法模擬了納米纖維與纖維束的光場分布（圖4）。模擬顯示，帶有納米孔的纖維束結構能最大程度降低反射率，而單純納米纖維或無明顯孔隙的束結構效果較弱。研究還發(fā)現，隨著蝕刻時間增長，纖維束高度與寬度增加，反射率進一步下降，與實驗觀測一致。

表2 | 用于光學模擬的模型尺寸及記錄的平均反射率

圖4 | 有限時域差分法模擬納米/微米結構光學行為。 a. 納米纖維與纖維束的側視與俯視示意圖。 b. 550納米波長TM偏振光的空間電場分布。 c. 不同結構模型的反射率對比。 d. 添加納米孔對電場分布的影響。 e. 按平均反射率排序的結構對比。

在實用性方面，表3對比了超黑羊毛與染色羊毛的耐洗性、耐光性及機械強度。超黑羊毛經加速洗滌后明度略有上升，但仍保持極黑外觀；光照后顏色變化微小。同時，其紗線拉伸強度未因表面蝕刻而下降，壓縮測試也表明其光學對稱性在機械應力下仍保持穩(wěn)定。

表3 | 未染色羊毛、聚多巴胺染色羊毛與超黑羊毛的紡織品性能比較。

綜上所述，本研究通過仿生設計并結合簡單的兩步工藝，成功開發(fā)出具有廣角超黑性能的羊毛紡織品。該材料不僅突破了傳統(tǒng)超黑材料在柔性、透氣性與安全性方面的局限，也為紡織基光學材料的應用開辟了新路徑，未來有望用于時尚裝飾、光學偽裝、光敏感器件等多個領域。這項研究也體現了交叉學科合作的重要性，為紡織工程、聚合物科學、光子學與納米技術的融合提供了新范例。