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在全球氣候變暖背景下，極端高溫事件頻發(fā)，夏季高溫強度和持續(xù)時間不斷增加，給人體熱安全、建筑能耗以及戶外與極端環(huán)境作業(yè)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。從可穿戴人體防護到節(jié)能建筑與便攜式裝備，輕量化、低能耗、高效率的被動熱管理材料已成為當前材料科學和工程領(lǐng)域的重要研究方向。
水因其高比熱容、強紅外輻射能力和綠色可再生特性，被認為是理想的熱管理介質(zhì)。然而，液態(tài)水在室溫下具有高密度(約1.0 g·cm?³)和流動性強等固有特征，難以作為輕質(zhì)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)材料直接應(yīng)用于被動熱管理體系。這一限制使得水長期只能作為“介質(zhì)”而非“材料”使用，嚴重制約了其在輕量化無源降溫領(lǐng)域的潛力發(fā)揮。
針對上述問題，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團隊提出了“輕水材料(Lightweight Water Materials, LWM)”的新概念，即通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將水重構(gòu)為一種超輕質(zhì)、固態(tài)化且具備多重熱管理功能的水基材料。近日，研究團隊成功設(shè)計并制備出一種超輕聚(N-異丙基丙烯酰胺，PNIPAM)水凝膠，實現(xiàn)了水的高含量與超低密度的協(xié)同統(tǒng)一，并在隔熱與無源降溫性能方面取得突破性進展。
內(nèi)容簡介
針對水基材料密度高、難以結(jié)構(gòu)化的核心瓶頸，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦團隊提出“輕水材料(LWM)”新概念，通過結(jié)構(gòu)重構(gòu)將水轉(zhuǎn)化為超輕、多功能固態(tài)材料。研究團隊以聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝膠為基礎(chǔ)，在聚合過程中引入可膨脹的中空發(fā)泡微球，構(gòu)建由聚合物骨架、封閉空氣腔體與水共同組成的三維復合網(wǎng)絡(luò)。中空微球在聚合過程中膨脹并固定于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成大量封閉氣腔，在不顯著降低含水量的前提下大幅降低材料密度。所得輕水材料最低密度達到0.041 g·cm?³，遠低于傳統(tǒng)水凝膠，同時仍保持52.7 wt.%的水含量，實現(xiàn)超輕與高含水的協(xié)同統(tǒng)一。更重要的是，該材料并非單一功能體系，而是通過結(jié)構(gòu)、光學與熱傳導多機制協(xié)同，實現(xiàn)隔熱與無源降溫的統(tǒng)一調(diào)控。
圖文導讀
I 設(shè)計理念：讓水“輕”起來
如圖1所示，該輕水材料通過在PNIPAM水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入中空發(fā)泡微球，構(gòu)筑了由聚合物骨架、封閉空氣腔體和水共同組成的三維復合結(jié)構(gòu)。中空微球在聚合過程中發(fā)生體積膨脹并被固定于網(wǎng)絡(luò)中，形成大量封閉氣腔，從而在不顯著降低含水量的前提下大幅降低材料密度
本所制備輕水材料的最低密度僅為 0.041 g·cm?³，遠低于傳統(tǒng)水凝膠體系，同時仍保持 52.7 wt.% 的水含量(圖2)，突破了水基材料“高含水必然高密度”的傳統(tǒng)認知。
圖2. 輕水材料的密度—含水量協(xié)同調(diào)控特性。
III 微觀結(jié)構(gòu)支撐超低密度
圖3掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)果顯示，輕水材料內(nèi)部形成了由聚合物骨架支撐的多尺度孔結(jié)構(gòu)，中空發(fā)泡微球被均勻固定于水凝膠網(wǎng)絡(luò)之中，構(gòu)建起大量封閉的空氣腔體。這些封閉氣腔在空間上彼此隔離，同時又通過連續(xù)的聚合物骨架相互連接，為材料提供了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)水凝膠相比，輕水材料內(nèi)部孔隙更加均勻、尺度分布更為合理，為后續(xù)實現(xiàn)低熱導率、良好力學性能以及可控的蒸發(fā)行為奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
