可穿戴水凝膠 户外降温“新利器”_風聞

當遇到高温天氣，眾多户外工作和活動無法利用空調降温，即便人們穿上淺色衣服、撐起遮陽傘來降低體感温度，也難以應付極端高温環境。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所科研人員針對極端環境熱防護，設計合成了系列耐極端環境的有機、無機氣凝膠，在此基礎之上開發出一種可穿戴降温水凝膠，相關研究近期發表於《物質》（Matter）。

01

高温導致降温難

目前，先進的個人穿戴降温技術主要通過增強紡織品對短波太陽能（0.3-2.5μm）的反射率來實現。然而，這些紡織品在穿戴時的冷卻能力僅限於1-10°C的範圍，並且僅在相對温和的環境中有效，在極端高温壓力下的有效緩解能力遠遠不夠，甚至完全失去降温效果。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所李清文、王錦研究員聯合香港中文大學龍禕等提出並設計的可穿戴水凝膠，其內部形成的多級孔結構具有疏水、輕質、強韌等特徵，可實現極端高温下高效可穿戴的無源降温。

▲可穿戴輕質多級孔水凝膠發表在《物質》

02

結構巧妙 協同降温

水是一種良好的冷卻劑，具有高蒸發焓（約2260J/g）、相對較低的沸點（100℃）以及綠色可再生的能力。它通過循環流動帶走熱量，蒸發時還可以從周圍環境中吸收大量熱，實現快速冷卻。因此，水被廣泛應用於核反應堆等各種高温場景的冷卻中。

然而，水在室温下為液態，結成冰後密度高而易碎，難以作為一種紡織材料直接使用。那麼有沒有什麼方式使水在室温下既能固定形狀，又有良好的柔韌性，從而實現可穿戴降温呢？

研究團隊通過在傳統水凝膠中引入一種超疏水的氣凝膠顆粒，再經反覆凍融操作設計合成了一種輕質的多級孔水凝膠（HPHG）-輕水材料（lightweight water material, LWM），不僅實現了水在室温條件下固定形狀、具備良好的剪切能力，還具有輕質、乾爽冰涼的穿戴性能。更重要的是，這種材料兼具優異的蒸發冷卻和輻射冷卻功能，二者的結合，使其在炎炎夏日的太陽光直射下表面温度可比環境温度低22.5°C，冷卻時間可長達15小時。

▲多級孔水凝膠的結構設計及協同作用

03

高效降温 可量產

這種多級孔水凝膠材料的力學性能良好，最薄能做到僅有2毫米，而且採用的所有原料都是工業化商品，製備方法也簡單，非常適合大規模生產。它還可以與棉織物結合製成背心，在一小時户外陽光暴曬下比棉背心温度低2.8°C，且與皮膚間温度始終維持在36°C。

此外，它不僅可以用於個人穿戴降温，還可用於空間冷卻。在約2小時陽光直射實驗中，用這種材料覆蓋的汽車模型內部最高温度比無覆蓋和棉布覆蓋的模型分別低32.1°C和21.1°C。它在極端高温下的冷卻效果尤為明顯，在氣温高達50℃的庫木塔格沙漠，能將68°C的沙子表面温度降低近30度。

▲大尺寸的多級孔水凝膠展示

多級孔水凝膠的分級多孔結構使其具備高效持久的蒸發冷卻能力，具有可調節的蒸發速率和蒸發焓。高含水量（80wt.%）且高孔隙率的多級孔水凝膠具有低密度、優異的機械性能和高疏水性，它的蒸發致冷和輻射致冷協同作用為極端高温下的可穿戴個人降温提供了一種高效可行的方案。

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所