蘇州納米所王錦ACS Nano綜述：可穿戴氣凝膠用于人體熱管理和智能器件
氣凝膠的超低熱導(dǎo)率使其具有優(yōu)異的隔熱保溫性能，在建筑、工業(yè)、運(yùn)輸、石油化工等領(lǐng)域起到重要的節(jié)能減排作用，是一種助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的明星材料。特別是近年來隨著新能源電動(dòng)汽車和航空航天的大力發(fā)展，基于氣凝膠的“超級(jí)隔熱保溫”應(yīng)用獲得社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。與大眾息息相關(guān)的日常保溫應(yīng)用，如氣凝膠用于可穿戴個(gè)人熱管理（超輕保溫服、輕質(zhì)耐高溫防護(hù)服等），也獲得學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛興趣和研究投入。然而，自1931年首次報(bào)道氣凝膠以來，關(guān)于何時(shí)發(fā)現(xiàn)氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱保溫性能，氣凝膠用于哪些隔熱保溫場(chǎng)景，什么時(shí)候氣凝膠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(guān)鍵問題等等，都有待系統(tǒng)性的回答。此外，氣凝膠的熱管理僅僅是“隔熱”和“保溫”嗎？
近年來，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員與合作者發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了系列有別于氣凝膠“隔熱保溫”的“另類”熱管理行為，如主被動(dòng)加熱（ACS Appl Mater Interfaces2022,14,46569;ACS Appl Eng Mater2023,1,2269;ACS Nano2015,9,4244）、被動(dòng)輻射致冷（Adv Funct Mater2023,33,2300441;Adv Sci 2022,9,2201190;J Mater Chem A2023,11,15227）、自適應(yīng)溫度調(diào)控（ACS Nano2021,15,19771;ACS Nano2015,9,11389;Chem Eng J2023,470,144258;Macromol Rapid Commun2023,44,2200948）、溫度開關(guān)（Device2023,1,100095;Adv Mater2023,35,2207638）、可穿戴器件（Adv Mater2024,36,2310023;Adv Funct Mater 2024,34,2314947;）、耐1300℃高溫涂料（Adv Funct Mater2023,33,2309148）等?？梢姎饽z具有豐富的熱管理行為，為可穿戴人體熱管理應(yīng)用提供了各種選項(xiàng)。最近，為了回答上述問題，王錦等人結(jié)合團(tuán)隊(duì)研究成果，通過追本溯源，查閱大量歷史文獻(xiàn)和最新的研究成果，在ACS Nano上發(fā)表了題為Wearable Aerogels for Personal Thermal Management and Smart Devices的綜述文章，系統(tǒng)性地梳理了氣凝膠隔熱保溫的發(fā)展歷史、可穿戴氣凝膠的發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨的瓶頸問題等。
如圖1所示，氣凝膠在生命科學(xué)、電子技術(shù)、化學(xué)工程、航空航天和熱管理中具有廣泛的應(yīng)用潛力。但是目前僅氧化硅氣凝膠實(shí)現(xiàn)了在熱管理中的商業(yè)應(yīng)用。與傳統(tǒng)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（~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(dòng)的環(huán)境下使用。然而，目前氣凝膠通常用于設(shè)備的熱防護(hù)，例如航空器、建筑、石油運(yùn)輸管道等，氣凝膠在人體熱管理中的應(yīng)用面臨眾多瓶頸問題，如力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性、舒適性、水洗性等。近年來，隨著新的合成方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，例如氣凝膠纖維、薄膜和復(fù)合結(jié)構(gòu)等，逐步實(shí)現(xiàn)氣凝膠的編織和服裝應(yīng)用。此外，氣凝膠不僅可以提供被動(dòng)隔熱，還可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用：（a）和（b）極端條件下的設(shè)備熱防護(hù)；（c）和（d）二氧化硅氣凝膠在建筑中的節(jié)能減排應(yīng)用；（e）和（f）氣凝膠在管道中的隔熱保溫應(yīng)用；（g）用于個(gè)人被動(dòng)降溫的氣凝膠復(fù)合薄膜；（h）氣凝膠用于雙模人體熱管理。
基于氣凝膠在可穿戴領(lǐng)域取得的重要突破，本綜述系統(tǒng)地總結(jié)和梳理了氣凝膠可穿戴化以及用于人體熱管理的最新進(jìn)展，如圖2所示，根據(jù)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(dǎo)率性能，這也是氣凝膠最普遍的熱管理應(yīng)用；（2）主被動(dòng)加熱，主要通過被動(dòng)太陽光加熱或電加熱實(shí)現(xiàn)氣凝膠的供暖；（3）被動(dòng)降溫，主要利用氣凝膠在中紅外的高發(fā)射率和太陽光波段的高反射率實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射降溫；（4）自適應(yīng)調(diào)節(jié)，主要結(jié)合氣凝膠的低熱導(dǎo)率、與相變材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電、摩擦生電等功能實(shí)現(xiàn)氣凝膠的傳感器應(yīng)用。
圖2.可穿戴氣凝膠用于人體熱管理和智能器件示意圖
自1931年首次制備出氣凝膠以來，經(jīng)歷了相當(dāng)漫長(zhǎng)的時(shí)間才實(shí)現(xiàn)隔熱保溫的實(shí)際使用。1934年發(fā)現(xiàn)氣凝膠具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，1941年測(cè)出氣凝膠的熱導(dǎo)率為0.02 W·m?1·K?1。然而，直到上世紀(jì)八十年代才對(duì)氣凝膠中的熱傳導(dǎo)進(jìn)行深入研究。如圖3a所示，氣凝膠的熱傳導(dǎo)包括三個(gè)部分：（1）固體傳導(dǎo)——由于氣凝膠的孔隙率可高達(dá)99%，其固體傳導(dǎo)極小，是氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低的主要原因之一；（2）氣體傳導(dǎo)——?dú)怏w熱傳導(dǎo)取決于氣體分子的平均自由程。由于氧化硅氣凝膠的孔徑通常小于50 nm，意味著氣體傳導(dǎo)較弱，進(jìn)一步導(dǎo)致氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低；（3） 熱輻射——雖然氧化硅氣凝膠在視覺上是透明的，但它們?cè)诩t外區(qū)域（7–30 μm）表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收。由于熱紅外光譜在環(huán)境溫度下會(huì)受到阻礙，通過氣凝膠的輻射通量很小。但是在較高的溫度下，波長(zhǎng)為3-5 μm熱輻射可以穿過氣凝膠，并且導(dǎo)致熱導(dǎo)率顯著提高。從圖3b可以看出，在2000年之前，氣凝膠在隔熱中的應(yīng)用報(bào)道寥寥無幾，進(jìn)入2010年以后，氣凝膠在隔熱保溫中的應(yīng)用被廣泛報(bào)道，而自2020年以來，氣凝膠在可穿戴熱管理中的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速。
圖3. 氣凝膠熱傳導(dǎo)示意圖以及氣凝膠在熱管理應(yīng)用中的歷年文獻(xiàn)數(shù)量
論文共同第一作者為煤炭科學(xué)研究總院吳兵博士、齊慶杰教授和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士研究生劉玲，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、蘇州市基礎(chǔ)研究試點(diǎn)項(xiàng)目以及煤炭科學(xué)研究總院探索項(xiàng)目支持。
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