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蘇州納米所王錦研究員 ACS Nano 綜述：用于個人熱管理和智能設備的可穿戴氣凝膠

2024-04-02 來源：高分子科技

近年來，日益增加的人類活動導致全球極端氣候頻發，各種室內使用的主動調溫系統難以在戶外活動中使用。個人熱管理（PTM）技術是一種通過調節人體周圍微環境為人體提供合適熱量的技術。傳統的功能材料可以在大部分環境下實現PTM的效果，但是在應對極端氣候以及突然的大溫度波動時會出現各種問題。氣凝膠作為第三代超隔熱材料，具有極低的熱導率和密度，已經在建筑節能、運輸和航空航天等領域被驗證具有優異的熱管理性能。但是氣凝膠的機械強度弱、二次加工性能差等瓶頸導致其在可穿戴PTM中應用受限。

此外，雖然氣凝膠的“超級隔熱保溫”應用獲得社會各界的廣泛關注。然而自1931年首次報道氣凝膠以來，何時發現氣凝膠具有優異的隔熱保溫性能？都用于哪些隔熱保溫場景？什么時候開始用于人體熱管理？氣凝膠用于可穿戴人體熱管理面臨哪些關鍵問題？氣凝膠的熱管理僅僅是“隔熱”和“保溫”嗎？等等，都有待系統性地回答。

為了回答上述問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員團隊結合團隊研究成果以及用戶單位的反饋，通過追本溯源，查閱大量久遠文獻和最新國內外研究成果，在ACS Nano上發表了題為“Wearable Aerogels for Personal Thermal Management and Smart Devices”的綜述文章，系統性地梳理了氣凝膠隔熱保溫的發展歷史、可穿戴氣凝膠的發展現狀，詳細討論了氣凝膠用于PTM的優勢，總結并展望其未來的應用方向以及面臨的挑戰。

如圖1所示，氣凝膠在生命科學、電子技術、化學工程、航空航天和熱管理中具有廣泛的應用潛力。但是目前僅氧化硅氣凝膠實現了在熱管理中的商業應用。與傳統服裝和紡織品不同，氣凝膠既可在極低（-198 °C）溫度下使用，又可在極高（高達1500 °C）溫度下使用，使其可以抵抗異常惡劣條件并在巨大溫度波動的環境下使用。然而，目前氣凝膠通常用于設備的熱防護，例如建筑、石油管道等，氣凝膠在人體熱管理中的應用面臨眾多瓶頸問題，如力學強度、耐磨性、舒適性、水洗性等。近年來，隨著新的合成方法和結構設計的出現，例如氣凝膠纖維、薄膜和復合結構等，逐步實現氣凝膠的編織和服裝應用。此外，氣凝膠不僅可以提供被動隔熱，還可以實現太陽能加熱、焦耳熱、輻射致冷，甚至在加熱或致冷之間快速切換。

圖1 氣凝膠在熱管理方面的具體應用

基于氣凝膠在可穿戴領域取得的重要突破，本文作者系統地總結和梳理了氣凝膠可穿戴化以及用于人體熱管理的最新進展，如圖2所示，根據氣凝膠的熱管理功能可分為五種類型：（1）隔熱保溫，主要利用氣凝膠的超低熱導率性能，這也是氣凝膠應用的最普遍熱管理應用；（2）主被動加熱，主要通過被動太陽光加熱或電加熱實現氣凝膠的供暖；（3）被動降溫，主要利用氣凝膠在中紅外的高發射率和太陽光波段的高反射率實現被動輻射降溫；（4）自適應調節，主要結合氣凝膠的低熱導率、以及與相變材料復合實現低溫下的保溫和加熱，以及高溫下的隔熱和降溫；（5）可穿戴智能器件，主要基于氣凝膠的導電、摩擦生電等動能實現氣凝膠的傳感器應用。由此可見，氣凝膠在熱管理中的應用已經遠遠超過隔熱保溫的局限，主/被動供暖，無源被動輻射降溫，自適應雙向溫度調控等，為氣凝膠的熱管理提供新生命，也為設計制備滿足特定需求的氣凝膠提供了重要參考。

圖2 可穿戴氣凝膠用于人體熱管理和智能器件的示意圖

本文共同第一作者為煤炭科學研究總院吳兵博士和齊慶杰教授、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所博士研究生劉玲，通訊作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00967

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（責任編輯：xu）

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