【儀表網 研發快訊】在全球極端氣候頻發，夏季高溫屢屢突破40℃且持續時長不斷增加的當下，人們在戶外活動或作業面臨嚴重的高溫威脅，從道路值勤人員到建筑工人，從農民到普通行人，極端高溫對身體健康的影響不容小覷，因此熱防護是保障極端環境下作業人員生命安全與健康的關鍵技術。氣凝膠因其卓越的隔熱性能和極低的密度，是實現極端環境熱防護及其輕量化的理想材料。
 

　　為此，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員等人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(Mater Sci Eng R 2024,161,100842；Adv Mater 2024,36,2310023；Adv Mater 2023,35,2207638；Adv Funct Mater 2023,33,2309148)，發現了氧化硅氣凝膠強力輻射降溫能力，并提出了氣凝膠功能基元改性概念，通過與其他材料進行“人工序構”復合，解決可穿戴熱防護和輕量化問題，例如自適應保溫/降溫(Adv Sci 2022,9,2201190；Macromol Rapid Commun 2023,44,2200948；Adv Funct Mater 2023,33,2300441；ACS Nano 2021,15,19771；Adv Funct Mater 2024,2314947；Device 2023,1,100095)，以及致冷和加熱雙功能織物(Adv Funct Mater 2024,2411551)等。盡管這些復合材料在綜合性能方面表現出色，但在極端高溫環境下的降溫效果仍存在局限性，無法滿足長時間高溫暴曬下的降溫需求。
 

　　液態水因高蒸發焓(約2260 J/g)、較低的沸點(100℃)、高冷卻功率以及綠色可再生的特性，在工業和電子設備冷卻領域廣泛應用。但液態水在室溫下的流動狀態限制了其可穿戴應用。近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員、李清文研究員等聯合香港中文大學龍祎教授團隊設計并制備出一種輕質的多級孔水凝膠(HPHG)。這種水凝膠通過多級孔結構，實現了極端高溫環境下，比傳統最優輻射制冷材料遠好的制冷效果；同時實現了大面積制備與服裝穿戴：在直射陽光下，HPHG的表面溫度可比環境溫度低22.5°C，且冷卻時間可長達15小時。研究團隊還將HPHG制成一款輕量化冷卻背心，重量不足350克，穿戴后人體皮膚溫度平均可比空氣溫度低11°C。從制作過程來看，將超疏水二氧化硅氣凝膠(SHBSA)分散在聚乙烯醇(PVA)水凝膠中，經過反復凍融操作成功制備出HPHG，其厚度僅為毫米級，密度低、力學性能優異，適合大規模生產，并能夠制作成輕質、具有一定力學強度無源降溫服裝(圖1)。
 

圖1 HPHG的合成、大規模制備展示以及應用示意圖
 

　　研究結果表明(圖2)，經過反復凍融操作，HPHG形成了多級孔結構。SHBSA使HPHG從高度透明變為白色不透明，多級孔結構的存在增加了入射太陽光的總散射效率。由于Si - O - Si鍵在7 - 14 µm范圍內有強烈吸收，與8 - 13 µm的大氣透明窗口重疊，而在可見光范圍內幾乎沒有吸收，因此多級孔結構增加了HPHG的太陽光反射率(0.9)，避免了高太陽光能量的吸收。
 

圖2 HPHG的多級孔結構表征
 

　　通過X射線顯微斷層掃描進一步驗證了SHBSA聚集體在HPHG內均勻分散以及多級孔結構(圖3)，這與掃描電鏡結果一致。由于水分子與水凝膠網絡的相互作用，HPHG10和HHG10的蒸發焓比純水蒸發焓低(2281.3 ± 247 J/g)，但HPHG10蒸發焓較HHG10顯著提高25.2%(1926.7 ± 245 J/g)且蒸發速率降低20%，蒸發焓的增加和蒸發速率的降低可歸因于分級多孔結構中的大孔。利用COMSOL Multiphysics軟件模擬純水、HHG10和HPHG10在太陽輻射下的變化，可以得出在時間尺度上，它們內部的溫度分布以及相應的蒸發速率。
 

圖3 HPHG的蒸發冷卻性能與模擬結果
 

　　在戶外測試中，研究團隊采用無對流和有對流兩種不同測試方法。結果表明(圖4)，HPHG在封閉條件下比傳統最優輻射降溫材料具有更好的冷卻效果，最高比空腔內環境溫度降低22.4℃，平均和空腔內環境的溫差達15.9°C。在吐魯番45°C的極端高溫環境下暴曬(采取完全開放有對流的測試方法)，和空氣溫度相比，HPHG的平均冷卻效果達到了8.9°C，最高降溫可達14.7°C，而傳統最優的輻射制冷材料基本喪失了冷卻能力。在多云天氣有對流的測試條件下，HPHG可持續15小時降溫。
 

圖4HPHG的戶外冷卻性能
 

　　將HPHG10(40×20×0.2 cm，僅170 g)與傳統商業棉織物結合制成背心(圖5)，于2022年7月的炎熱夏季(氣象學溫度高達43°C)進行1小時實驗，熱成像儀顯示1小時后HPHG10溫度比棉背心低2.8°C，且HPHG10與人體皮膚間溫度維持在舒適的36°C。除了可穿戴冷卻性能出色，HPHG10還可用于空間冷卻，例如汽車被動日間冷卻，約2小時陽光直射實驗中，HPHG10覆蓋的汽車模型內部最高溫度分別比無覆蓋和棉覆蓋的汽車模型低32.1°和21.1°C。在庫木塔格沙漠(氣溫飆升至約50°C)，HPHG可以將沙子的表面溫度(高達68°C)降低29.7°C。
 

圖5 HPHG作為穿戴背心以及冷卻裝置的實際應用
 

　　HPHG的分級多孔結構實現了高效持久的蒸發冷卻，調節了蒸發速率和蒸發焓。高含水量(80 wt.%)、高孔隙率的HPHG具有低密度、優異的機械性能和疏水性，為極端高溫的可穿戴無源被動降溫提供了新策略，為解決戶外極端高溫熱環境下的被動冷卻提供了新方法。
 

　　相關工作以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress為題發表在Matter上，論文第一作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所博士生胡雪妍，通訊作者為香港中文大學龍祎教授、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員(Lead contact)和李清文研究員，該論文獲得江蘇省杰出青年基金和國家自然科學重大研究計劃項目支持。