近年来，全球极端环境频发，多地夏季气温超过40℃并持续较长时间。极端高温会影响在户外活动中人的身体健康，如道路值勤、建筑施工、农业操作甚至步行等。目前，先进的个人热管理（PTM）冷却技术主要集中在被动日间辐射冷却（PDRC）纺织品上，这些纺织品通过增强对短波太阳能（0.3-2.5 μm）的反射率，并在大气透明窗口（8-13μm）内实现高辐射热散失。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。为了应对这一困境，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文/王锦联合香港中文大学龙祎等提出了一种可穿戴水凝胶，通过结构设计使得水凝胶内部形成多级孔结构，用于极端高温下无源降温。
相关成果以“Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress”为题发表在Matter期刊上。论文通讯作者为香港中文大学的龙祎教授、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。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。
水由于其高蒸发焓（约2260 J/g）、相对较低的沸点（100 ℃）以及绿色可再生性，在工业冷却和电子设备冷却中得到了广泛应用。同时，水的蒸发（即水的相变）可以从周围环境中吸收大量热量，实现快速冷却。因此，蒸发冷却（EC）可以提供比PDRC更大的冷却功率。然而，水在室温下为液态材料，这明显限制了其应用。因此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员/王锦研究员团队联合香港中文大学龙祎教授团队设计合成了一种轻质的多级孔水凝胶（HPHG），其通过多孔结构实现了长效的蒸发冷却和辐射冷却。在直射阳光下，该材料表面温度可比环境温度低22.5°C，且其冷却时间可长达15小时。在完全开放的高温户外环境下（空气温度约45.8 ℃），HPHG可以比纯辐射冷却（RC）的材料（P(VdF-HFP) HP）温度低7.2℃。此外，HPHG还可以被制成一款轻量化冷却背心，其重量不足350克，穿戴后人体皮肤温度平均可比空气温度低11°C。
图1：HPHG的合成、大规模制备展示以及应用示意图。
如图1所示，将超疏水二氧化硅气凝胶（SHBSA）分散在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中，通过反复冻融操作成功制备出HPHG。这种水凝胶可以做到厚度仅为2毫米，且适合大规模生产。图1C展示了HPHG在极端炎热气候下作为穿戴式冷却材料的应用概念，为人体热管理提供了可行的方案。
图2：HPHG的多级孔结构表征。
研究结果表明，经过反复冻融操作，HPHG形成了多级孔结构（图2）。SHBSA使HPHG从高度透明变为亮白色且不透明，且多级孔结构的存在会增加入射太阳光的总散射效率，因为Si - O - Si键的震动范围主要与8 - 13 µm的大气透明窗口重叠，并且在7 - 14 µm范围内有强烈吸收，而在可见光范围内几乎没有吸收。所以多级孔的存在会增加HPHG的太阳光反射率（0.9），避免高太阳光能量的吸收。
图3：HPHG的蒸发冷却性能与模拟结果。
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，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，他们内部的温度分布以及相应的蒸发速率（图3）。
图４：HPHG的户外冷却性能。
为评估HPHG在极端高温下的实际效果，研究团队进行了多次户外测试（图4）。采用了两种不同的测试方法，分别在无对流和有对流的情况下进行测试。结果表明，HPHG在相对封闭条件下比传统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。特别是在中国吐鲁番空气温度高达45 °C的极端高温环境下，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。最高可比纯RC的材料（P(VdF-HFP) HP）温度低7.2 ℃。除此以外，HPHG在多云的天气，有对流的测试条件下，可以持续15小时降温，表明HPHG可在较长时间内维持显著的降温效果。
图5：HPHG作为穿戴背心以及冷却装置的实际应用。
为了进一步验证HPHG在高温下应用的降温效果（图5），将HPHG10（40×20×0.2 cm，仅170 g）与传统商业棉织物结合制成背心，于2022年7月12日苏州气象高温43°C的炎热夏季进行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。除了出色的可穿戴冷却性能外，HPHG10还可用于空间冷却，例如用于汽车被动日间冷却，约2小时的阳光直射实验中，HPHG10覆盖的汽车模型内部最高温度分别比无覆盖和棉布覆盖的模型低32.1°C和21.1°C。在极端高温条件下，HPHG的冷却效果尤为显著，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。
综上，HPHG的分级多孔结构可实现高效持久的蒸发冷却，并调节蒸发速率和蒸发焓。高含水量（80 wt.%）且高孔隙率的HPHG具有低密度、优异的机械性能和高疏水性，为极端高温的可穿戴热管理提供了一种可行的方案。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.008
编辑 | 余 荷
排版 | 王大雪
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