当遇到高温天气，众多户外工作和活动无法利用空调降温，即便人们穿上浅色衣服、撑起遮阳伞来降低体感温度，也难以应付极端高温环境。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所科研人员针对极端环境热防护，设计合成了系列耐极端环境的有机、无机气凝胶，在此基础之上开发出一种可穿戴降温水凝胶，相关研究近期发表于《物质》（Matter）。
01 高温导致降温难
目前，先进的个人穿戴降温技术主要通过增强纺织品对短波太阳能（0.3-2.5μm）的反射率来实现。然而，这些纺织品在穿戴时的冷却能力仅限于1-10°C的范围，并且仅在相对温和的环境中有效，在极端高温压力下的有效缓解能力远远不够，甚至完全失去降温效果。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文、王锦研究员联合香港中文大学龙祎等提出并设计的可穿戴水凝胶，其内部形成的多级孔结构具有疏水、轻质、强韧等特征，可实现极端高温下高效可穿戴的无源降温。
可穿戴轻质多级孔水凝胶发表在《物质》
02 结构巧妙 协同降温
水是一种良好的冷却剂，具有高蒸发焓（约2260J/g）、相对较低的沸点（100℃）以及绿色可再生的能力。它通过循环流动带走热量，蒸发时还可以从周围环境中吸收大量热，实现快速冷却。因此，水被广泛应用于核反应堆等各种高温场景的冷却中。
然而，水在室温下为液态，结成冰后密度高而易碎，难以作为一种纺织材料直接使用。那么有没有什么方式使水在室温下既能固定形状，又有良好的柔韧性，从而实现可穿戴降温呢？
研究团队通过在传统水凝胶中引入一种超疏水的气凝胶颗粒，再经反复冻融操作设计合成了一种轻质的多级孔水凝胶（HPHG）-轻水材料（lightweight water material, LWM），不仅实现了水在室温条件下固定形状、具备良好的剪切能力，还具有轻质、干爽冰凉的穿戴性能。更重要的是，这种材料兼具优异的蒸发冷却和辐射冷却功能，二者的结合，使其在炎炎夏日的太阳光直射下表面温度可比环境温度低22.5°C，冷却时间可长达15小时。
多级孔水凝胶的结构设计及协同作用
03 高效降温 可量产
这种多级孔水凝胶材料的力学性能良好，最薄能做到仅有2毫米，而且采用的所有原料都是工业化商品，制备方法也简单，非常适合大规模生产。它还可以与棉织物结合制成背心，在一小时户外阳光暴晒下比棉背心温度低2.8°C，且与皮肤间温度始终维持在36°C。
此外，它不仅可以用于个人穿戴降温，还可用于空间冷却。在约2小时阳光直射实验中，用这种材料覆盖的汽车模型内部最高温度比无覆盖和棉布覆盖的模型分别低32.1°C和21.1°C。它在极端高温下的冷却效果尤为明显，在气温高达50℃的库木塔格沙漠，能将68°C的沙子表面温度降低近30度。
大尺寸的多级孔水凝胶展示
多级孔水凝胶的分级多孔结构使其具备高效持久的蒸发冷却能力，具有可调节的蒸发速率和蒸发焓。高含水量（80wt.%）且高孔隙率的多级孔水凝胶具有低密度、优异的机械性能和高疏水性，它的蒸发致冷和辐射致冷协同作用为极端高温下的可穿戴个人降温提供了一种高效可行的方案。
来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
责任编辑：宋同舟
