2026年3月17日，南开大学刘遵峰和中国药科大学周湘研究团队在《Advanced Materials》上发表了题为“Creating Nanoknot-Like Domains for Robust Artificial Spider Silk Toward High Twistocaloric Performance”的研究论文。

  该研究受天然蜘蛛丝多层次结构的启发，通过分子设计构建了一种具有“纳米节”结构的聚二脲弹性体纤维，攻克了聚合物制冷材料在实现高效率的同时难以兼顾循环寿命的难题。该材料实现了高达-17.1 K的制冷温度和89.7%的卡诺效率，并展现出12万次的超长循环寿命，为新一代绿色固态制冷技术的产业化应用提供了新思路。

图1 蜘蛛丝启发的聚二脲纤维的结构设计与性能比较

  在现代社会，制冷技术消耗了全球约20%的电力资源。然而，传统基于蒸汽压缩的制冷系统不仅能效提升遭遇瓶颈，其使用的气态制冷剂往往具有强烈的温室效应。寻找高效、环保的固态制冷技术已成为全球科研领域的前沿课题。近年来，扭热制冷（Twistocaloric cooling）作为一种新兴的固态制冷方式，因其利用聚合物纤维在扭转/拉伸过程中的熵变产生制冷效应，具有极高的能量转换潜力，引起了广泛关注。然而，现有的聚合物制冷材料普遍面临一个棘手的问题：若要获得大的制冷温降，通常需要极大的形变量，这会导致高分子链滑移，从而缩短材料的使用寿命；而过度的交联虽然能提升稳定性，却会显著抑制材料的熵变，牺牲制冷效果。

  针对这一难题，该团队通过仿生设计，提出了一种全新的解决思路，并取得了重要突破。

  自然界中，蜘蛛丝以其卓越的力学性能著称，兼具高强度与高韧性，其秘密在于复杂的层级结构以及纳米尺度的结构单元协同作用。受此启发，我们将目光聚焦于分子尺度的结构调控，提出构建类似“结点”的稳定结构单元。

  在本研究中，创新性地提出了“纳米结（nanoknot-like domains）”的分子设计策略。通过合理设计聚二脲弹性体中的硬段与软段结构，使材料在纳米尺度上形成类似“纳米结”的结构域。这些纳米结不仅可以作为稳定的物理交联点，还能够在外力作用下发生可逆变形，从而在保证结构稳定性的同时实现高效能量转换。

  具体而言：（1）柔性软段提供足够的构象自由度，有利于产生较大的熵变；（2）刚性硬段通过多重氢键和π–π相互作用形成稳定“纳米结”结构；（3）二者协同作用，在纳米尺度上形成高度可调控的结构网络。在扭转/释扭过程中实现高效、可逆的熵变响应，从而获得高达?17.1 K的降温幅度、89.7%的卡诺效率。这些指标在聚合物扭热制冷材料中处于国际领先水平，表明该体系在能量转换效率方面具有巨大潜力。

图2. 聚二脲纤维的分子结构设计与扭热制冷性能

  为了深入理解材料性能提升的内在机制，我们结合多种表征手段与理论模拟进行了系统研究。纳米结结构显著增强了材料内部网络的稳定性。高密度氢键相互作用使硬段形成紧密的纳米聚集结构，同时维持适度的微相分离尺度（纳米级），从而避免结构失稳。该结构有效抑制了分子链滑移与不可逆形变，降低了能量耗散，使更多机械输入能量转化为热效应。在扭转过程中，材料内部链段发生取向与局部结晶；在释扭过程中，这些有序结构迅速解体并吸收热量，从而产生显著降温。这种“扭转取向-结晶-熔融”的协同机制，进一步放大了材料的热响应能力。

  论文的第一作者为南开大学21级博士研究生李家田，通讯作者为南开大学刘遵峰教授和中国药科大学周湘副教授。这篇论文得到了Ray H. Baughman院士的悉心指导与修改，先生治学严谨，视野开阔，对后辈更是倾囊相授。遗憾的是，先生已于2025年永远离开了我们，没能亲眼看到这篇凝聚着他心血与期许的文章正式刊出。斯人已逝，风骨长存，先生的教诲与治学精神我会永远铭记于心。

  谨以此文，致敬并深切缅怀 Ray H. Baughman 教授！

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202516934

南开大学化学学院刘遵峰教授课题组招收博士生（2026年入学）博士名额充足，欢迎报考！

招聘内容

博士生

学科方向

材料学，化学，高分子、物理、生物学、纺织与纤维、金属、计算模拟、电子信息等学科

实验室介绍：

刘遵峰，南开大学杰出教授、二级教授，国家杰青，化学学科学术带头人，高分子材料专家。主持国家、省部级项目40余项，获国家杰出青年基金、天津市杰出青年基金、天津市青年千人、天津市科技创新领军人才、天津交叉科学学会理事、中国生物材料学会特种医学材料与器械分会副主任委员。江苏省优秀科技工作者、常州市科技智库专家。

课题组经费充足，博士生指标充足，研究方向前沿，欢迎有良好学术基础与科研兴趣的同学报考！

研究方向为：高分子材料、凝胶纤维材料、仿生智能高分子材料，生物医用材料、高强韧纤维材料、智能纤维材料、高强韧人造蜘蛛丝、人工肌肉、柔性电子、柔性制冷等。在 Science (2), Nature Sustainability, Nat. Commun., Adv. Mater.等国际学术 SCI 期刊上发表研究论文 160 余篇。其中2015年关于可拉伸导体的研究工作被美国《Discover Magazine》评选为2015年度全球TOP100重大科学发现；2019年关于“扭热制冷”的工作首创了扭转制冷新方法，大幅提高了制冷效率；开发了多种人工肌肉纤维材料，应用于软体机器人、智能医疗方向；研发的水凝胶纤维人造蜘蛛丝强度与韧性性能接近天然蜘蛛丝，应用于生物医用敷料、手术缝合线、人工肌腱、韧带等；基于智能纤维材料发展了多种智能织物，用于智能可穿戴设备和柔性电子器件。多篇关于柔性健康监测的文章被选为封面文章，受邀撰写多篇综述，授权中国专利20余项，在多个国内外学术会议做邀请报告100余次。获天津市自然科学一等奖（排名第1）。

网址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn

研究方向：

1.高强韧纤维、人造蛛丝、智能材料等

2.人工肌肉、传感器与柔性智能系统、纤维制冷等

3.生物医用纤维材料等

基本要求：

1.博士招收采取推免制，具有独立的科研能力，英语水平良好（6级或其它相当水平），具有发表英文学术论文经验；有良好教育背景和科研经历；性格开朗，有良好的团队合作和对外沟通能力；

2. 能够协助合作导师管理和完成科研项目并协助指导研究生。

3. 要求应聘人员工作认真负责，踏实肯干，具团队精神。

应聘方式：

（一）请应聘者将简历及相关证明材料（文章、成果情况等）通过邮件，以“应聘岗位＋姓名”为主题发送至以下邮箱：liuzunfeng@nankai.edu.cn

（二）将以邮件或电话的方式通知通过初选的应聘者，前来参加本单位组织面试。

代表性论著:

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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.