【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在全球極端氣候頻發(fā)，夏季高溫屢屢突破40℃且持續(xù)時(shí)長不斷增加的當(dāng)下，人們?cè)趹敉饣顒?dòng)或作業(yè)面臨嚴(yán)重的高溫威脅，從道路值勤人員到建筑工人，從農(nóng)民到普通行人，極端高溫對(duì)身體健康的影響不容小覷，因此熱防護(hù)是保障極端環(huán)境下作業(yè)人員生命安全與健康的關(guān)鍵技術(shù)。氣凝膠因其卓越的隔熱性能和極低的密度，是實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境熱防護(hù)及其輕量化的理想材料。
 

　　為此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員等人針對(duì)極端環(huán)境熱防護(hù)，設(shè)計(jì)合成了系列耐極端環(huán)境的有機(jī)、無機(jī)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(fā)現(xiàn)了氧化硅氣凝膠強(qiáng)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(jìn)行“人工序構(gòu)”復(fù)合，解決可穿戴熱防護(hù)和輕量化問題，例如自適應(yīng)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(fù)合材料在綜合性能方面表現(xiàn)出色，但在極端高溫環(huán)境下的降溫效果仍存在局限性，無法滿足長時(shí)間高溫暴曬下的降溫需求。
 

　　液態(tài)水因高蒸發(fā)焓(約2260 J/g)、較低的沸點(diǎn)(100℃)、高冷卻功率以及綠色可再生的特性，在工業(yè)和電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但液態(tài)水在室溫下的流動(dòng)狀態(tài)限制了其可穿戴應(yīng)用。近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員、李清文研究員等聯(lián)合香港中文大學(xué)龍祎教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備出一種輕質(zhì)的多級(jí)孔水凝膠(HPHG)。這種水凝膠通過多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了極端高溫環(huán)境下，比傳統(tǒng)最優(yōu)輻射制冷材料遠(yuǎn)好的制冷效果；同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(huán)境溫度低22.5°C，且冷卻時(shí)間可長達(dá)15小時(shí)。研究團(tuán)隊(duì)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(jīng)過反復(fù)凍融操作成功制備出HPHG，其厚度僅為毫米級(jí)，密度低、力學(xué)性能優(yōu)異，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠制作成輕質(zhì)、具有一定力學(xué)強(qiáng)度無源降溫服裝(圖1)。
 

圖1 HPHG的合成、大規(guī)模制備展示以及應(yīng)用示意圖
 

　　研究結(jié)果表明(圖2)，經(jīng)過反復(fù)凍融操作，HPHG形成了多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。SHBSA使HPHG從高度透明變?yōu)榘咨煌该?，多?jí)孔結(jié)構(gòu)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(nèi)有強(qiáng)烈吸收，與8 - 13 µm的大氣透明窗口重疊，而在可見光范圍內(nèi)幾乎沒有吸收，因此多級(jí)孔結(jié)構(gòu)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(jí)孔結(jié)構(gòu)表征
 

　　通過X射線顯微斷層掃描進(jìn)一步驗(yàn)證了SHBSA聚集體在HPHG內(nèi)均勻分散以及多級(jí)孔結(jié)構(gòu)(圖3)，這與掃描電鏡結(jié)果一致。由于水分子與水凝膠網(wǎng)絡(luò)的相互作用，HPHG10和HHG10的蒸發(fā)焓比純水蒸發(fā)焓低(2281.3 ± 247 J/g)，但HPHG10蒸發(fā)焓較HHG10顯著提高25.2%(1926.7 ± 245 J/g)且蒸發(fā)速率降低20%，蒸發(fā)焓的增加和蒸發(fā)速率的降低可歸因于分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)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(shí)間尺度上，它們內(nèi)部的溫度分布以及相應(yīng)的蒸發(fā)速率。
 

圖3 HPHG的蒸發(fā)冷卻性能與模擬結(jié)果
 

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

圖4HPHG的戶外冷卻性能
 

　　將HPHG10(40×20×0.2 cm，僅170 g)與傳統(tǒng)商業(yè)棉織物結(jié)合制成背心(圖5)，于2022年7月的炎熱夏季(氣象學(xué)溫度高達(dá)43°C)進(jìn)行1小時(shí)實(shí)驗(yàn)，熱成像儀顯示1小時(shí)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(dòng)日間冷卻，約2小時(shí)陽光直射實(shí)驗(yàn)中，HPHG10覆蓋的汽車模型內(nèi)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(dá)68°C)降低29.7°C。
 

圖5 HPHG作為穿戴背心以及冷卻裝置的實(shí)際應(yīng)用
 

　　HPHG的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效持久的蒸發(fā)冷卻，調(diào)節(jié)了蒸發(fā)速率和蒸發(fā)焓。高含水量(80 wt.%)、高孔隙率的HPHG具有低密度、優(yōu)異的機(jī)械性能和疏水性，為極端高溫的可穿戴無源被動(dòng)降溫提供了新策略，為解決戶外極端高溫?zé)岘h(huán)境下的被動(dòng)冷卻提供了新方法。
 

　　相關(guān)工作以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress為題發(fā)表在Matter上，論文第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(xué)龍祎教授、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(xué)重大研究計(jì)劃項(xiàng)目支持。