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高溫無情，水凝膠有涼：

文章來源：賢集網更新時間：2024-10-25 14:31:01

在全球氣候變暖的大背景下，高溫天氣日益頻繁，給人們的生活和工作帶來了極大的挑戰。尤其是對于眾多戶外工作者來說，高溫環境下的工作不僅艱苦，還可能對身體健康造成嚴重威脅。傳統的降溫方式如空調在戶外環境中往往無法使用，而穿上淺色衣服、撐起遮陽傘等方法也難以應對極端高溫。然而，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所科研人員的一項創新成果 —— 新型可穿戴降溫水凝膠，為戶外工作者帶來了福音。

一、高溫之困：戶外工作面臨的嚴峻挑戰

傳統降溫方式的局限性

在高溫天氣下，人們通常會采取一些傳統的降溫方式，如穿淺色衣服、撐遮陽傘等。然而，這些方法在極端高溫環境下的效果十分有限。淺色衣服雖然可以反射部分太陽光，但對于降低體感溫度的作用并不明顯。遮陽傘只能遮擋陽光直射，無法降低周圍環境的溫度。此外，空調等設備在戶外無法使用，使得戶外工作者在高溫環境下缺乏有效的降溫手段。

極端高溫對人體的危害

極端高溫環境會對人體健康造成嚴重危害。長時間暴露在高溫下，人體容易出現中暑、脫水、熱衰竭等癥狀，甚至可能危及生命。對于戶外工作者來說，他們在高溫環境下工作的時間較長，面臨的健康風險更大。因此，尋找一種有效的戶外降溫方法至關重要。

二、創新之路：新型水凝膠的研發歷程

靈感來源與設計理念

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的科研人員針對極端環境熱防護問題，展開了深入的研究。他們從水的冷卻特性中獲得靈感，水具有高蒸發焓、相對較低的沸點以及綠色可再生的能力，被廣泛應用于核反應堆等各種高溫場景的冷卻中。然而，水在室溫下為液態，結成冰后密度高而易碎，難以作為紡織材料直接使用。科研人員通過在傳統水凝膠中引入超疏水的氣凝膠顆粒，再經反復凍融操作，設計合成了一種輕質的多級孔水凝膠。

技術突破與性能優勢

這種新型水凝膠具有多級孔結構，具備疏水、輕質、強韌等特征。其內部形成的多級孔結構使得水在室溫條件下既能固定形狀，又有良好的柔韌性，實現了可穿戴降溫。同時，這種水凝膠兼具優異的蒸發冷卻和輻射冷卻功能，二者的結合使其在炎炎夏日的太陽光直射下表面溫度可比環境溫度低 22.5°C，冷卻時間可長達 15 小時。此外，它的力學性能良好，最薄能做到僅有 2 毫米，采用的所有原料都是工業化商品，制備方法簡單，非常適合大規模生產。

三、“清涼神器”：新型水凝膠的性能特點

高效降溫性能

新型水凝膠的分級多孔結構使其具備高效持久的蒸發冷卻能力，具有可調節的蒸發速率和蒸發焓。高含水量（80wt.%）且高孔隙率的多級孔水凝膠具有低密度、優異的機械性能和高疏水性。在極端高溫下，它的冷卻效果尤為明顯，在氣溫高達 50℃的庫木塔格沙漠，能將 68°C 的沙子表面溫度降低近 30 度。此外，它還可以與棉織物結合制成背心，在一小時戶外陽光暴曬下比棉背心溫度低 2.8°C，且與皮膚間溫度始終維持在 36°C。

環境適應性

新型水凝膠具有環境敏感性，根據環境的變化類型不同分為溫敏型、pH 型、鹽敏型、光敏型、電場感應型、形狀記憶型和非離子型等。其中，溫敏型水凝膠作為原位的藥物傳遞較為有用，pH 型水凝膠指隨著環境 pH 的變化而發生變化。這種環境適應性使得水凝膠在不同的應用場景中具有更廣泛的適用性。

粘附性與生物相容性

水凝膠具有良好的粘附性，兩個生物體表面之間形成任何結合，或是一個生物體的表面與另外一個天然或合成材料表面的粘結的總稱。同時，水凝膠作為一種類似于生命組織的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影響生命體的代謝過程，并且代謝產物可以通過水凝膠排出。這種特性使得水凝膠在創傷敷料、藥物載體和組織工程支架材料等領域具有廣泛的應用前景。

四、新型水凝膠的多領域應用

創傷敷料領域

水凝膠作為創傷敷料具有許多優勢。例如，干型紗布、濕型水凝膠和 PVP 水凝膠等都是類似于生命組織的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影響生命體的代謝過程，并且代謝產物可以通過水凝膠排出。根據需要將不同藥物包埋在水凝膠內，可緩慢持續釋放到病變區，從而達到治愈傷口或皮膚病的目的。

藥物載體領域

水凝膠在藥物載體方面也有著重要的應用。藥物遞送是通過水凝膠的網格尺寸調控的。其中尺寸較小的藥物可以通過水凝膠快速擴散；藥物尺寸接近于水凝膠網絡尺寸時，藥物遞送減慢；藥物尺寸較大時，基本是包埋于水凝膠網絡中。可分為三種釋放途徑：網絡結構降解釋放藥物、網絡結構溶脹釋放藥物、網絡結構機械形變釋放藥物。

組織工程支架材料領域

水凝膠作為組織工程支架材料，具有組織填充材料的特點，不吸收、不脫落、不碎裂，在彌散的環境下能很好保持水分，有較好的粘度、彈性和柔軟度，適合人體組織結構。

保水抗旱領域

人工合成的水凝膠具有超強吸水和保水釋放能力，主要成分是聚丙烯酸鹽（鉀鹽）和聚丙烯酰胺共聚體。能迅速吸收比自身重量數百倍的脫離子水，數十倍至百倍的含鹽水分，控制土壤水分蒸發以滿足植物的生長需要、促進植物根系生長發育，同時改善土壤結構、增加土壤活性，減少土壤板結等。

五、未來展望

新型可穿戴降溫水凝膠的研發成功，為戶外工作者提供了一種有效的降溫手段，也為解決高溫環境下的諸多問題帶來了新的希望。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，水凝膠有望在更多領域發揮重要作用。例如，在智能穿戴設備領域，水凝膠可以與傳感器等結合，實現對人體健康狀況的實時監測和調節。在環境保護領域，水凝膠可以用于吸附污染物、凈化水源等。同時，科研人員還可以進一步優化水凝膠的性能，提高其降溫效果、環境適應性和生物相容性，為人類的生活和發展做出更大的貢獻。

總之，新型水凝膠以其輕質強韌、持久降溫的特點，為戶外工作者帶來了福音。它的研發成功不僅是科技創新的成果，更是對人類在極端環境下生存和發展的重要貢獻。

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