在全球极端气候频发，夏季高温屡屡突破40℃且持续时长不断增加的当下，人们在户外活动或作业面临严重的高温威胁，从道路值勤人员到建筑工人，从农民到普通行人，极端高温对身体健康的影响不容小觑，因此热防护是保障极端环境下作业人员生命安全与健康的关键技术。气凝胶因其卓越的隔热性能和极低的密度，是实现极端环境热防护及其轻量化的理想材料。
为此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员等人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（Mater Sci Eng R 2024,161,100842；Adv Mater 2024,36,2310023；Adv Mater 2023,35,2207638；Adv Funct Mater 2023,33,2309148），发现了氧化硅气凝胶强力辐射降温能力，并提出了气凝胶功能基元改性概念，通过与其他材料进行“人工序构”复合，解决可穿戴热防护和轻量化问题，例如自适应保温/降温（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），以及致冷和加热双功能织物（Adv Funct Mater 2024,2411551）等。尽管这些复合材料在综合性能方面表现出色，但在极端高温环境下的降温效果仍存在局限性，无法满足长时间高温暴晒下的降温需求。
液态水因高蒸发焓（约2260 J/g）、较低的沸点（100℃）、高冷却功率以及绿色可再生的特性，在工业和电子设备冷却领域广泛应用。但液态水在室温下的流动状态限制了其可穿戴应用。近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员、李清文研究员等联合香港中文大学龙祎教授团队设计并制备出一种轻质的多级孔水凝胶（HPHG）。这种水凝胶通过多级孔结构，实现了极端高温环境下，比传统最优辐射制冷材料远好的制冷效果；同时实现了大面积制备与服装穿戴：在直射阳光下，HPHG的表面温度可比环境温度低22.5°C，且冷却时间可长达15小时。研究团队还将HPHG制成一款轻量化冷却背心，重量不足350克，穿戴后人体皮肤温度平均可比空气温度低11°C。从制作过程来看，将超疏水二氧化硅气凝胶（SHBSA）分散在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中，经过反复冻融操作成功制备出HPHG，其厚度仅为毫米级，密度低、力学性能优异，适合大规模生产，并能够制作成轻质、具有一定力学强度无源降温服装（图1）。
图1 HPHG的合成、大规模制备展示以及应用示意图
研究结果表明（图2），经过反复冻融操作，HPHG形成了多级孔结构。SHBSA使HPHG从高度透明变为白色不透明，多级孔结构的存在增加了入射太阳光的总散射效率。由于Si - O - Si键在7 - 14 µm范围内有强烈吸收，与8 - 13 µm的大气透明窗口重叠，而在可见光范围内几乎没有吸收，因此多级孔结构增加了HPHG的太阳光反射率（0.9），避免了高太阳光能量的吸收。
图2 HPHG的多级孔结构表征
通过X射线显微断层扫描进一步验证了SHBSA聚集体在HPHG内均匀分散以及多级孔结构（图3），这与扫描电镜结果一致。由于水分子与水凝胶网络的相互作用，HPHG10和HHG10的蒸发焓比纯水蒸发焓低（2281.3 ± 247 J/g），但HPHG10蒸发焓较HHG10显著提高25.2%（1926.7 ± 245 J/g）且蒸发速率降低20%，蒸发焓的增加和蒸发速率的降低可归因于分级多孔结构中的大孔。利用COMSOL Multiphysics软件模拟纯水、HHG10和HPHG10在太阳辐射下的变化，可以得出在时间尺度上，它们内部的温度分布以及相应的蒸发速率。
图3 HPHG的蒸发冷却性能与模拟结果
在户外测试中，研究团队采用无对流和有对流两种不同测试方法。结果表明（图4），HPHG在封闭条件下比传统最优辐射降温材料具有更好的冷却效果，最高比空腔内环境温度降低22.4℃，平均和空腔内环境的温差达15.9°C。在吐鲁番45°C的极端高温环境下暴晒（采取完全开放有对流的测试方法），和空气温度相比，HPHG的平均冷却效果达到了8.9°C，最高降温可达14.7°C，而传统最优的辐射制冷材料基本丧失了冷却能力。在多云天气有对流的测试条件下，HPHG可持续15小时降温。
图４HPHG的户外冷却性能
将HPHG10（40×20×0.2 cm，仅170 g）与传统商业棉织物结合制成背心（图5），于2022年7月的炎热夏季（气象学温度高达43°C）进行1小时实验，热成像仪显示1小时后HPHG10温度比棉背心低2.8°C，且HPHG10与人体皮肤间温度维持在舒适的36°C。除了可穿戴冷却性能出色，HPHG10还可用于空间冷却，例如汽车被动日间冷却，约2小时阳光直射实验中，HPHG10覆盖的汽车模型内部最高温度分别比无覆盖和棉覆盖的汽车模型低32.1°和21.1°C。在库木塔格沙漠（气温飙升至约50°C），HPHG可以将沙子的表面温度（高达68°C）降低29.7°C。
图5 HPHG作为穿戴背心以及冷却装置的实际应用
HPHG的分级多孔结构实现了高效持久的蒸发冷却，调节了蒸发速率和蒸发焓。高含水量（80 wt.%）、高孔隙率的HPHG具有低密度、优异的机械性能和疏水性，为极端高温的可穿戴无源被动降温提供了新策略，为解决户外极端高温热环境下的被动冷却提供了新方法。
相关工作以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress为题发表在Matter上，论文第一作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生胡雪妍，通讯作者为香港中文大学龙祎教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员（Lead contact）和李清文研究员，该论文获得江苏省杰出青年基金和国家自然科学重大研究计划项目支持。
论文链接 https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.008
来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
