在全球極端氣候頻發(fā)，夏季高溫屢屢突破40℃且持續(xù)時長不斷增加的當下，人們在戶外活動或作業(yè)面臨嚴重的高溫威脅，從道路值勤人員到建筑工人，從農(nóng)民到普通行人，極端高溫對身體健康的影響不容小覷，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)。氣凝膠因其卓越的隔熱性能和極低的密度，是實現(xiàn)極端環(huán)境熱防護及其輕量化的理想材料。
為此，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員等人針對極端環(huán)境熱防護，設計合成了系列耐極端環(huán)境的有機、無機氣凝膠（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，通過與其他材料進行“人工序構(gòu)”復合，解決可穿戴熱防護和輕量化問題，例如自適應保溫/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（100℃）、高冷卻功率以及綠色可再生的特性，在工業(yè)和電子設備冷卻領(lǐng)域廣泛應用。但液態(tài)水在室溫下的流動狀態(tài)限制了其可穿戴應用。近日，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員、李清文研究員等聯(lián)合香港中文大學龍祎教授團隊設計并制備出一種輕質(zhì)的多級孔水凝膠（HPHG）。這種水凝膠通過多級孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極端高溫環(huán)境下，比傳統(tǒng)最優(yōu)輻射制冷材料遠好的制冷效果；同時實現(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，且冷卻時間可長達15小時。研究團隊還將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)過反復凍融操作成功制備出HPHG，其厚度僅為毫米級，密度低、力學性能優(yōu)異，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠制作成輕質(zhì)、具有一定力學強度無源降溫服裝。
研究結(jié)果表明，經(jīng)過反復凍融操作，HPHG形成了多級孔結(jié)構(gòu)。SHBSA使HPHG從高度透明變?yōu)榘咨煌该鳎嗉壙捉Y(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（0.9），避免了高太陽光能量的吸收。
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