在寒冷潮濕的天氣中，人體微環(huán)境濕度上升，衣物保暖能力削弱，人體熱量加速流失。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因極端濕冷天氣導致的失溫、凍傷乃至死亡人數(shù)高達數(shù)十萬人。特別是對于高海拔及嚴寒地區(qū)的運動員和士兵等特殊職業(yè)人士來說，過量代謝排汗亦會嚴重削弱衣物保暖能力，嚴重威脅生命健康。當前，電熱服等主動發(fā)熱技術依賴外部能源，智能纖維等被動發(fā)熱技術保暖性能又有限。能夠應對極端濕冷天氣的自適應、高效、長效發(fā)熱保溫技術一直是巨大的挑戰(zhàn)，這對于長期暴露于極端濕冷環(huán)境中的流浪者、極限運動員、士兵等特殊職業(yè)人士意義非凡。
近日，蘇州大學李相鵬、孫立寧教授團隊，聯(lián)合中國科學技術大學張世武教授、澳大利亞新南威爾士大學唐詩楊教授、軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院曹璐研究員、西北工業(yè)大學肖冰教授以及澳大利亞伍侖崗大學李衛(wèi)華教授組成的國際聯(lián)合團隊，成功研制出可應對極端濕冷天氣的超級暖寶寶（圖1）。其核心在于一種具有核殼結構的鋁-液態(tài)金屬微顆粒（Al@LM-MPs）。在外層鎵基室溫液態(tài)金屬的催化作用下，鋁金屬微內(nèi)核在常溫常壓下即可靈敏地感知周圍空氣中的水分子，并發(fā)生高效放熱反應（3秒內(nèi)升溫超過200℃，轉(zhuǎn)化率超過99.1%）。這一新機制打破了金屬鋁在常溫常壓下因表面鈍化無法與水發(fā)生反應的傳統(tǒng)認知。相關成果以“Humidity-Responsive Liquid Metal Core–Shell Materials for Enduring Heat Retention and Insulation”為題，發(fā)表于頂級期刊《Advanced Materials》。
Al@LM-MPs 技術的保溫效果遠超商用暖寶寶（鐵氧化放熱），是同等條件下的 4 倍以上。1 毫米厚度的智能發(fā)熱服能夠提供超過 24 小時的持續(xù)保溫效果，而同等條件下的商用暖寶寶僅能發(fā)熱 4-6 小時。以 Al@LM-MPs 為填料研制的智能發(fā)熱服，還可在濕冷環(huán)境中根據(jù)環(huán)境濕度自適應調(diào)節(jié)發(fā)熱溫度，實現(xiàn)持久且舒適的保溫效果，甚至在厭氧環(huán)境中也同樣適用（圖2、圖3）。
研究團隊在環(huán)境模擬器中模擬了在非洲第一高峰乞力馬扎羅山高海拔雨林環(huán)境（海拔：2340米， 濕度：90%， 溫度：7.8 ℃）的長期戶外暴露實驗。未穿智能發(fā)熱服的對照組受試者在暴露后約24分鐘后體溫即降至36℃以下，并出現(xiàn)了寒戰(zhàn)、肌肉不受控等明顯失溫癥狀。作為對比，智能發(fā)熱服為實驗組受試者提供了有效保溫，恒定維持受試者體溫始終處于舒適區(qū)（圖4）。
基于Al@LM-MPs技術的智能發(fā)熱服便攜性強、成本低，且制造工藝簡單，兼容現(xiàn)有商用暖寶寶生產(chǎn)線，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)推廣，可為長期暴露于極端濕冷環(huán)境中的極限運動員及軍人等特殊職業(yè)人士提供有緊急、長效保溫。
蘇州大學機電工程學院博士生陳宣翰、本科生孫銘遠，中國科學技術大學博士生榮華銳，軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院曹璐研究員為論文的共同第一作者，蘇州大學李相鵬教授、孫立寧教授、中國科學技術大學張世武教授、新南威爾士大學唐詩楊副教授為本文的共同通訊作者。該項目得到了江蘇省杰出青年基金、國家自然科學基金共融機器人重大研發(fā)計劃、江蘇省高校自然科學基金重點項目以及澳大利亞研究理事會未來獎學金等基金的資助和支持。
圖1. 智能發(fā)熱服裝機理及結構。
圖2. Al@LM-MPs微顆粒的濕熱性能。
圖3. 智能發(fā)熱服性能測試。
圖4. 智能發(fā)熱服失溫實驗。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202404705
