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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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蘇州納米所等利用多級孔水凝膠輕水材料實現(xiàn)極端高溫下的可穿戴無源降溫

2024-10-14 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

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語音播報

此前，針對極端環(huán)境熱防護而發(fā)展的復(fù)合材料在綜合性能方面表現(xiàn)出色，但在極端高溫環(huán)境下的降溫效果存在局限性，無法滿足長時間高溫暴曬下的降溫需求。

液態(tài)水因高蒸發(fā)焓、較低的沸點、高冷卻功率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。而液態(tài)水在室溫下的流動狀態(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)與納米仿生研究所研究員王錦和李清文等，聯(lián)合香港中文大學(xué)教授龍祎團隊，設(shè)計并制備出輕質(zhì)的多級孔水凝膠（HPHG）。研究發(fā)現(xiàn)，HPHG通過多級孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極端高溫環(huán)境下比傳統(tǒng)最優(yōu)輻射制冷材料更好的制冷效果；同時，HPHG實現(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且冷卻時間可達(dá)15小時。進(jìn)一步，研究將HPHG制成一款輕量化冷卻背心。這款背心重量不足350克，且穿戴后人體皮膚溫度平均可比空氣溫度低11°C。在制作過程中，科研人員將超疏水二氧化硅氣凝膠（SHBSA）分散在聚乙烯醇水凝膠中，經(jīng)過反復(fù)凍融操作制備出HPHG（厚度僅為毫米級）。HPHG具有低密度、優(yōu)異的力學(xué)性能等特征，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠制作成輕質(zhì)且具有一定力學(xué)強度無源降溫服裝。

研究顯示，經(jīng)過反復(fù)凍融操作，HPHG形成了多級孔結(jié)構(gòu)。SHBSA使HPHG從高度透明變?yōu)榘咨煌该?，而多級孔結(jié)構(gòu)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，因此多級孔結(jié)構(gòu)增加了HPHG的太陽光反射率，避免了高太陽光能量的吸收。

進(jìn)一步，X射線顯微斷層掃描驗證了SHBSA聚集體在HPHG內(nèi)均勻分散以及多級孔結(jié)構(gòu)，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，多級孔水凝膠10（HPHG10）和復(fù)合水凝膠10（HHG10）的蒸發(fā)焓比純水蒸發(fā)焓低，但HPHG10蒸發(fā)焓較HHG10提高了25.2%且蒸發(fā)速率降低了20%。蒸發(fā)焓的增加和蒸發(fā)速率的降低可歸因于分級多孔結(jié)構(gòu)中的大孔。研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)部的溫度分布以及相應(yīng)的蒸發(fā)速率。

在戶外測試中，該團隊采用了無對流和有對流兩種測試方法。結(jié)果表明，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，與空氣溫度相比，HPHG的平均冷卻效果達(dá)到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。在多云天氣有對流的測試條件下，HPHG可持續(xù)15小時降溫。

科研人員將HPHG10與傳統(tǒng)商業(yè)棉織物結(jié)合制成背心，并在炎熱夏季進(jìn)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，如汽車被動日間冷卻。在約2小時陽光直射實驗中，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°C和21.1°C。在庫木塔格沙漠，HPHG可以將沙子的表面溫度降低29.7°C。

HPHG的分級多孔結(jié)構(gòu)實現(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、高孔隙率的HPHG具有低密度、優(yōu)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，并為解決戶外極端高溫?zé)岘h(huán)境下的被動冷卻提供了新方法。

相關(guān)研究成果以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress為題，發(fā)表在《物質(zhì)》（Matter）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

多級孔水凝膠作為穿戴背心以及冷卻裝置的實際應(yīng)用

在全球極端氣候頻發(fā)、夏季高溫持續(xù)增加的情況下，人們在戶外活動、作業(yè)均面臨著高溫威脅。因此，熱防護是保障極端環(huán)境下作業(yè)人員生命安全與健康的關(guān)鍵技術(shù)。氣凝膠因優(yōu)異的隔熱性能和極低的密度，成為實現(xiàn)極端環(huán)境熱防護及輕量化的理想材料。此前，針對極端環(huán)境熱防護而發(fā)展的復(fù)合材料在綜合性能方面表現(xiàn)出色，但在極端高溫環(huán)境下的降溫效果存在局限性，無法滿足長時間高溫暴曬下的降溫需求。液態(tài)水因高蒸發(fā)焓、較低的沸點、高冷卻功率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。而液態(tài)水在室溫下的流動狀態(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)與納米仿生研究所研究員王錦和李清文等，聯(lián)合香港中文大學(xué)教授龍祎團隊，設(shè)計并制備出輕質(zhì)的多級孔水凝膠（HPHG）。研究發(fā)現(xiàn)，HPHG通過多級孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極端高溫環(huán)境下比傳統(tǒng)最優(yōu)輻射制冷材料更好的制冷效果；同時，HPHG實現(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且冷卻時間可達(dá)15小時。進(jìn)一步，研究將HPHG制成一款輕量化冷卻背心。這款背心重量不足350克，且穿戴后人體皮膚溫度平均可比空氣溫度低11°C。在制作過程中，科研人員將超疏水二氧化硅氣凝膠（SHBSA）分散在聚乙烯醇水凝膠中，經(jīng)過反復(fù)凍融操作制備出HPHG（厚度僅為毫米級）。HPHG具有低密度、優(yōu)異的力學(xué)性能等特征，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠制作成輕質(zhì)且具有一定力學(xué)強度無源降溫服裝。研究顯示，經(jīng)過反復(fù)凍融操作，HPHG形成了多級孔結(jié)構(gòu)。SHBSA使HPHG從高度透明變?yōu)榘咨煌该?，而多級孔結(jié)構(gòu)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，因此多級孔結(jié)構(gòu)增加了HPHG的太陽光反射率，避免了高太陽光能量的吸收。進(jìn)一步，X射線顯微斷層掃描驗證了SHBSA聚集體在HPHG內(nèi)均勻分散以及多級孔結(jié)構(gòu)，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，多級孔水凝膠10（HPHG10）和復(fù)合水凝膠10（HHG10）的蒸發(fā)焓比純水蒸發(fā)焓低，但HPHG10蒸發(fā)焓較HHG10提高了25.2%且蒸發(fā)速率降低了20%。蒸發(fā)焓的增加和蒸發(fā)速率的降低可歸因于分級多孔結(jié)構(gòu)中的大孔。研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)部的溫度分布以及相應(yīng)的蒸發(fā)速率。在戶外測試中，該團隊采用了無對流和有對流兩種測試方法。結(jié)果表明，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，與空氣溫度相比，HPHG的平均冷卻效果達(dá)到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。在多云天氣有對流的測試條件下，HPHG可持續(xù)15小時降溫?？蒲腥藛T將HPHG10與傳統(tǒng)商業(yè)棉織物結(jié)合制成背心，并在炎熱夏季進(jìn)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，如汽車被動日間冷卻。在約2小時陽光直射實驗中，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°C和21.1°C。在庫木塔格沙漠，HPHG可以將沙子的表面溫度降低29.7°C。HPHG的分級多孔結(jié)構(gòu)實現(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、高孔隙率的HPHG具有低密度、優(yōu)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，并為解決戶外極端高溫?zé)岘h(huán)境下的被動冷卻提供了新方法。相關(guān)研究成果以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress為題，發(fā)表在《物質(zhì)》（Matter）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金的支持。論文鏈接多級孔水凝膠作為穿戴背心以及冷卻裝置的實際應(yīng)用

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