近年來，全球極端天氣頻發，高溫酷暑成為日益嚴峻的挑戰。去年（2024年）夏天，全國有20%以上的縣市出現40℃及以上高溫。全國有96個國家級氣象站日最高氣溫達到或突破歷史極值，其中，新疆托克遜47.9℃、重慶北碚（43.6℃）、河南溫縣（43.4℃）。（數據來自中國氣象局）。
在這種極端的戶外環境下，戶外活動、作業的人們都面臨著高溫威脅，嚴重時還會危及生命。所以，對於戶外工作者來說急需一種高效便攜的熱防護解決方案。
目前，市場上的個人穿戴降溫技術多透過增強紡織品對太陽短波放射線的反射來降低熱量吸收，例如抗紫外線衣物或遮陽帽。這些技術在溫和的環境中能提供1-10℃的降溫效果，但在40℃以上的極端高溫下卻容易失效，甚至還可能加劇體表的熱量累積。
水的魔力：蒸發降溫的科學基礎
水是一種天然的冷卻劑，其高蒸發焓使其在蒸發過程中能夠吸收大量熱量。簡單來說，就是當水從液態轉變為氣態時，會從周圍環境中吸熱，從而降低環境溫度。
這一過程的原理廣泛套用於自然界和日常生活的降溫。例如，當你在炎炎夏日裏感到炙熱難耐時，應該曾試過用冷水潑灑在身上來降溫的方法。從普通人到職業運動員，這種方法都被頻繁使用。馬拉松選手在烈日下奔跑時，常會用水淋濕毛巾擦拭皮膚，或者直接澆水在身上，透過蒸發降低體溫，緩解酷暑對身體的壓力。
然而，這種方法也有明顯的局限性——水蒸發後快速流失，難以長時間維持涼爽效果。那麽， 有沒有一種方式可以長時間固定水，同時高效發揮蒸發降溫的作用呢？
中國科學院蘇州奈米技術與奈米仿生研究所李清文、王錦研究員團隊一直致力於解決極端環境的個人防護，此次聯合香港中文大學的龍祎教授，基於水蒸發降溫的原理，設計了一種創新型的可穿戴水凝膠材料。透過反復凍融操作，並引入超疏水氣凝膠顆粒，成功將水束縛在水凝膠的多級孔隙中，設計出了一種輕質水凝膠（HPHG）。 這種材料不僅能「固定」水分， 反射太陽光阻止熱量吸收， 還能在蒸發過程中持續提供涼爽感。 這項研究成果發表在國際期刊【物質】（Matter）上。
研究成果釋出於【物質】
（圖片來源：截圖自Matter官網）
突破限制：水凝膠讓降溫更持久、更舒適
這種新型可穿戴水凝膠基於多級孔結構設計，結合了超疏水氣凝膠顆粒和水的優異效能，具備輕質、幹爽、強韌等特征。更重要的是，它能在極端高溫環境下實作高效的蒸發冷卻和放射線冷卻功能。此外，這種材料還具有以下幾種優點：
持久冷卻 ：傳統的潑水降溫方式，水分在短時間內蒸發完畢，而水凝膠材料透過其多孔結構逐步釋放水分，可實作長達15小時的冷卻效果。
舒適與便攜 ：相比於直接澆水或濕毛巾，水凝膠材料幹爽且柔軟，與皮膚接觸時溫度始終維持在36℃左右，不會帶來冰冷的不適感。
高效降溫 ：在烈日直射下，這種材料表面溫度比環境溫度低22.5℃，為極端高溫環境中的使用者提供可靠的防護。
易於大規模生產 ：材料制備方法簡單，使用的原料為常見工業品，生產成本低廉。
大尺寸制備展示
（圖片來源：作者供圖）
從日常到極端環境：科技讓高溫不再可怕
在個人防護方面，它可制成可穿戴降溫背心等，用於戶外工作者的防暑降溫。在空間冷卻方面，它可以作為需要降溫裝置的遮蓋物。在實驗中，用該材料覆蓋的汽車模型內部溫度比無覆蓋方式降低32.1℃。更令人驚嘆的是，在庫木塔格沙漠約50℃的極端高溫下，這種水凝膠材料能將沙地表面68℃的高溫降低近30℃，展示了其在極端環境下的強大潛力。
這種新型水凝膠材料在個人防護以及空間降溫套用前景廣闊。例如：
戶外勞動者的防暑利器： 建築工人、農民、快遞員等長時間暴露在陽光下的群體，可穿戴由水凝膠制成的背心或帽子，有效降低中暑風險。
運動員的秘密武器： 馬拉松選手、高爾夫球手，甚至休閑跑步愛好者，都可以透過穿戴水凝膠衣物，減少因高溫引起的體能下降，提高運動表現。
旅行者的隨身「空調」： 戶外徒步愛好者或露營者在酷熱天氣中，可以用水凝膠背心或墊子保持涼爽，提升旅途體驗。
汽車防曬 ：將水凝膠材料作為車衣覆蓋車身，減少車內溫度升高。
災後應急 ：為遭遇極端高溫災害的地區提供人員攜行式降溫裝置，保障居民安全。
工業冷卻 ：在特殊場景中替代傳統制冷裝置，提供綠色環保的冷卻方案。
展望未來：走向日常套用的最後一步
盡管當前的研究成果令人振奮，但可穿戴水凝膠的效能仍有進一步最佳化空間，例如提高蒸發冷卻的永續性、增強舒適度以及增加可重復使用能力等。
研究團隊未來將專註於材料的功能性拓展，使其更加適應復雜環境，同時探索更廣泛的套用領域。相信在不遠的將來，這種可穿戴水凝膠將走入尋常百姓家，為我們帶來更加舒適的夏日體驗！
出品：科普中國
作者： 王錦、胡雪妍 （中國科學院 蘇州奈米技術與奈米仿生研究所 ）
監制：中國科普博覽
