蘇州納米所王錦Chem. Soc. Rev.：水凝膠的熱管理機(jī)制與應(yīng)用
在全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)與低碳轉(zhuǎn)型的背景下，發(fā)展高效、自適應(yīng)且可持續(xù)的熱管理技術(shù)已成為多領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。水在自然界中具有獨(dú)特而重要的熱物理特性，憑借其較高的比熱容和汽化潛熱，水在調(diào)控環(huán)境溫度、維持人體熱平衡以及緩解熱波動(dòng)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，水的直接應(yīng)用在工程場(chǎng)景中往往受到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可控性和持續(xù)性的限制，如何在材料層面高效利用水的熱調(diào)節(jié)能力，是熱管理領(lǐng)域關(guān)注有待突破的問(wèn)題。
近年來(lái)，水凝膠作為一種由三維高分子網(wǎng)絡(luò)與大量水分構(gòu)成的軟物質(zhì)體系，為水基熱管理提供了新的材料途徑。水凝膠能夠在保持高含水量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分分布、遷移與相變行為的有效調(diào)控，在蒸發(fā)致冷、熱儲(chǔ)存、導(dǎo)熱調(diào)節(jié)和輻射制冷等多個(gè)方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從而解決可穿戴熱管理、建筑節(jié)能、器件散熱等領(lǐng)域的熱調(diào)控瓶頸。為此，圍繞水凝膠在熱管理領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題與應(yīng)用探索，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等近年來(lái)開展了系統(tǒng)研究。團(tuán)隊(duì)此前探索了水凝膠在光熱轉(zhuǎn)換熱管理與相關(guān)場(chǎng)景中的應(yīng)用，闡明了水凝膠通過(guò)光熱/相變轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多機(jī)制協(xié)同熱調(diào)控的基本規(guī)律 (Sci. China Mater. 2025, 68, 2014–2023; Small 2025, 2500665; Mater. Sci. Eng. R 2026, 167, 101098; Macromol. Rapid Commun. 2025, 46, 2400960)。此外，通過(guò)引入多級(jí)孔結(jié)構(gòu)與發(fā)泡復(fù)合設(shè)計(jì)策略，在顯著降低材料密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了水凝膠在熱管理性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的平衡，提出并發(fā)展了“輕水材料” (Lightweight Water Materials, LWM)的概念（Nano-Micro Letters 2026, 18, 225；Matter 2024, 7, 4398–4409），為水基熱管理材料在可穿戴防護(hù)和極端環(huán)境應(yīng)用中的實(shí)際使用提供了新的可能 (Matter 2024, 7, 4398–4409；Nano-Micro Letters 2026, 18, 225;Langmuir 2021, 37, 13501?13511；Langmuir 2021, 37, 5923?5931) 。
基于上述研究積累，蘇州納米所王錦研究員近期在 Chemical Society Reviews發(fā)表綜述論文Hydrogels for Robust Thermal Management: Mechanism and Applications，系統(tǒng)總結(jié)了水凝膠熱管理領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、基本機(jī)理與應(yīng)用進(jìn)展（圖1，圖2） 。該綜述從蒸發(fā)致冷、熱儲(chǔ)存、熱傳導(dǎo)和輻射制冷等方面，系統(tǒng)梳理了水凝膠實(shí)現(xiàn)熱調(diào)控的理論基礎(chǔ)，著重討論了水分狀態(tài)、氫鍵作用、多尺度傳熱傳質(zhì)行為以及材料自身結(jié)構(gòu)對(duì)熱管理性能的影響（圖3，圖4）。
圖1. 水凝膠熱管理發(fā)展進(jìn)程
圖2.水凝膠熱管理應(yīng)用場(chǎng)景
圖3. 水凝膠熱管理機(jī)制
圖4. 水凝膠熱管理結(jié)構(gòu)劃分
文章進(jìn)一步對(duì)水凝膠在可穿戴熱管理、生物醫(yī)學(xué)敷料、建筑節(jié)能、電子與電池?zé)峁芾淼葢?yīng)用方向的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納與分析。該綜述還對(duì)比了水凝膠與氣凝膠等其他先進(jìn)熱管理材料的特點(diǎn)，指出二者在機(jī)理上互補(bǔ)，未來(lái)通過(guò)構(gòu)建水凝膠-氣凝膠復(fù)合體系，有望融合高效主動(dòng)冷卻與超強(qiáng)被動(dòng)隔熱的優(yōu)勢(shì)，開拓更為廣闊的應(yīng)用空間。
該綜述工作為水凝膠熱管理領(lǐng)域提供了較為系統(tǒng)的理論框架和材料設(shè)計(jì)思路，有助于推動(dòng)水基熱管理材料在多場(chǎng)景下的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)將繼續(xù)圍繞水凝膠及輕水材料在極端環(huán)境熱防護(hù)和實(shí)際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題開展深入研究(圖5)。
圖5. 水凝膠熱管理應(yīng)用策略分析
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士生胡雪妍為論文第一作者，博士后劉玲為第二作者，通訊作者為王錦研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年基金和蘇州市科技局揭榜掛帥項(xiàng)目的支持。
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