苏州纳米所王锦研究员 ACS Nano 综述：用于个人热管理和智能设备的可穿戴气凝胶

2024-04-02 来源：高分子科技

近年来，日益增加的人类活动导致全球极端气候频发，各种室内使用的主动调温系统难以在户外活动中使用。个人热管理（PTM）技术是一种通过调节人体周围微环境为人体提供合适热量的技术。传统的功能材料可以在大部分环境下实现PTM的效果，但是在应对极端气候以及突然的大温度波动时会出现各种问题。气凝胶作为第三代超隔热材料，具有极低的热导率和密度，已经在建筑节能、运输和航空航天等领域被验证具有优异的热管理性能。但是气凝胶的机械强度弱、二次加工性能差等瓶颈导致其在可穿戴PTM中应用受限。

此外，虽然气凝胶的“超级隔热保温”应用获得社会各界的广泛关注。然而自1931年首次报道气凝胶以来，何时发现气凝胶具有优异的隔热保温性能？都用于哪些隔热保温场景？什么时候开始用于人体热管理？气凝胶用于可穿戴人体热管理面临哪些关键问题？气凝胶的热管理仅仅是“隔热”和“保温”吗？等等，都有待系统性地回答。

为了回答上述问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员团队结合团队研究成果以及用户单位的反馈，通过追本溯源，查阅大量久远文献和最新国内外研究成果，在ACS Nano上发表了题为“Wearable Aerogels for Personal Thermal Management and Smart Devices”的综述文章，系统性地梳理了气凝胶隔热保温的发展历史、可穿戴气凝胶的发展现状，详细讨论了气凝胶用于PTM的优势，总结并展望其未来的应用方向以及面临的挑战。

如图1所示，气凝胶在生命科学、电子技术、化学工程、航空航天和热管理中具有广泛的应用潜力。但是目前仅氧化硅气凝胶实现了在热管理中的商业应用。与传统服装和纺织品不同，气凝胶既可在极低（-198 °C）温度下使用，又可在极高（高达1500 °C）温度下使用，使其可以抵抗异常恶劣条件并在巨大温度波动的环境下使用。然而，目前气凝胶通常用于设备的热防护，例如建筑、石油管道等，气凝胶在人体热管理中的应用面临众多瓶颈问题，如力学强度、耐磨性、舒适性、水洗性等。近年来，随着新的合成方法和结构设计的出现，例如气凝胶纤维、薄膜和复合结构等，逐步实现气凝胶的编织和服装应用。此外，气凝胶不仅可以提供被动隔热，还可以实现太阳能加热、焦耳热、辐射致冷，甚至在加热或致冷之间快速切换。

图1 气凝胶在热管理方面的具体应用

基于气凝胶在可穿戴领域取得的重要突破，本文作者系统地总结和梳理了气凝胶可穿戴化以及用于人体热管理的最新进展，如图2所示，根据气凝胶的热管理功能可分为五种类型：（1）隔热保温，主要利用气凝胶的超低热导率性能，这也是气凝胶应用的最普遍热管理应用；（2）主被动加热，主要通过被动太阳光加热或电加热实现气凝胶的供暖；（3）被动降温，主要利用气凝胶在中红外的高发射率和太阳光波段的高反射率实现被动辐射降温；（4）自适应调节，主要结合气凝胶的低热导率、以及与相变材料复合实现低温下的保温和加热，以及高温下的隔热和降温；（5）可穿戴智能器件，主要基于气凝胶的导电、摩擦生电等动能实现气凝胶的传感器应用。由此可见，气凝胶在热管理中的应用已经远远超过隔热保温的局限，主/被动供暖，无源被动辐射降温，自适应双向温度调控等，为气凝胶的热管理提供新生命，也为设计制备满足特定需求的气凝胶提供了重要参考。

图2 可穿戴气凝胶用于人体热管理和智能器件的示意图

本文共同第一作者为煤炭科学研究总院吴兵博士和齐庆杰教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士研究生刘玲，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00967

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（责任编辑：xu）

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