高温无情，水凝胶有凉：-山东化工网

高温无情，水凝胶有凉：

文章来源：贤集网更新时间：2024-10-25 14:31:01

在全球气候变暖的大背景下，高温天气日益频繁，给人们的生活和工作带来了极大的挑战。尤其是对于众多户外工作者来说，高温环境下的工作不仅艰苦，还可能对身体健康造成严重威胁。传统的降温方式如空调在户外环境中往往无法使用，而穿上浅色衣服、撑起遮阳伞等方法也难以应对极端高温。然而，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所科研人员的一项创新成果 —— 新型可穿戴降温水凝胶，为户外工作者带来了福音。

一、高温之困：户外工作面临的严峻挑战

传统降温方式的局限性

在高温天气下，人们通常会采取一些传统的降温方式，如穿浅色衣服、撑遮阳伞等。然而，这些方法在极端高温环境下的效果十分有限。浅色衣服虽然可以反射部分太阳光，但对于降低体感温度的作用并不明显。遮阳伞只能遮挡阳光直射，无法降低周围环境的温度。此外，空调等设备在户外无法使用，使得户外工作者在高温环境下缺乏有效的降温手段。

极端高温对人体的危害

极端高温环境会对人体健康造成严重危害。长时间暴露在高温下，人体容易出现中暑、脱水、热衰竭等症状，甚至可能危及生命。对于户外工作者来说，他们在高温环境下工作的时间较长，面临的健康风险更大。因此，寻找一种有效的户外降温方法至关重要。

二、创新之路：新型水凝胶的研发历程

灵感来源与设计理念

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的科研人员针对极端环境热防护问题，展开了深入的研究。他们从水的冷却特性中获得灵感，水具有高蒸发焓、相对较低的沸点以及绿色可再生的能力，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，难以作为纺织材料直接使用。科研人员通过在传统水凝胶中引入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。

技术突破与性能优势

这种新型水凝胶具有多级孔结构，具备疏水、轻质、强韧等特征。其内部形成的多级孔结构使得水在室温条件下既能固定形状，又有良好的柔韧性，实现了可穿戴降温。同时，这种水凝胶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。此外，它的力学性能良好，最薄能做到仅有 2 毫米，采用的所有原料都是工业化商品，制备方法简单，非常适合大规模生产。

三、“清凉神器”：新型水凝胶的性能特点

高效降温性能

新型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。在极端高温下，它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。此外，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。

环境适应性

新型水凝胶具有环境敏感性，根据环境的变化类型不同分为温敏型、pH 型、盐敏型、光敏型、电场感应型、形状记忆型和非离子型等。其中，温敏型水凝胶作为原位的药物传递较为有用，pH 型水凝胶指随着环境 pH 的变化而发生变化。这种环境适应性使得水凝胶在不同的应用场景中具有更广泛的适用性。

粘附性与生物相容性

水凝胶具有良好的粘附性，两个生物体表面之间形成任何结合，或是一个生物体的表面与另外一个天然或合成材料表面的粘结的总称。同时，水凝胶作为一种类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影响生命体的代谢过程，并且代谢产物可以通过水凝胶排出。这种特性使得水凝胶在创伤敷料、药物载体和组织工程支架材料等领域具有广泛的应用前景。

四、新型水凝胶的多领域应用

创伤敷料领域

水凝胶作为创伤敷料具有许多优势。例如，干型纱布、湿型水凝胶和 PVP 水凝胶等都是类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影响生命体的代谢过程，并且代谢产物可以通过水凝胶排出。根据需要将不同药物包埋在水凝胶内，可缓慢持续释放到病变区，从而达到治愈伤口或皮肤病的目的。

药物载体领域

水凝胶在药物载体方面也有着重要的应用。药物递送是通过水凝胶的网格尺寸调控的。其中尺寸较小的药物可以通过水凝胶快速扩散；药物尺寸接近于水凝胶网络尺寸时，药物递送减慢；药物尺寸较大时，基本是包埋于水凝胶网络中。可分为三种释放途径：网络结构降解释放药物、网络结构溶胀释放药物、网络结构机械形变释放药物。

组织工程支架材料领域

水凝胶作为组织工程支架材料，具有组织填充材料的特点，不吸收、不脱落、不碎裂，在弥散的环境下能很好保持水分，有较好的粘度、弹性和柔软度，适合人体组织结构。

保水抗旱领域

人工合成的水凝胶具有超强吸水和保水释放能力，主要成分是聚丙烯酸盐（钾盐）和聚丙烯酰胺共聚体。能迅速吸收比自身重量数百倍的脱离子水，数十倍至百倍的含盐水分，控制土壤水分蒸发以满足植物的生长需要、促进植物根系生长发育，同时改善土壤结构、增加土壤活性，减少土壤板结等。

五、未来展望

新型可穿戴降温水凝胶的研发成功，为户外工作者提供了一种有效的降温手段，也为解决高温环境下的诸多问题带来了新的希望。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，水凝胶有望在更多领域发挥重要作用。例如，在智能穿戴设备领域，水凝胶可以与传感器等结合，实现对人体健康状况的实时监测和调节。在环境保护领域，水凝胶可以用于吸附污染物、净化水源等。同时，科研人员还可以进一步优化水凝胶的性能，提高其降温效果、环境适应性和生物相容性，为人类的生活和发展做出更大的贡献。

总之，新型水凝胶以其轻质强韧、持久降温的特点，为户外工作者带来了福音。它的研发成功不仅是科技创新的成果，更是对人类在极端环境下生存和发展的重要贡献。

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