在寒冷潮濕的天氣中，人體微環境濕度上升，衣物保暖能力削弱，人體熱量加速流失。據統計，全球每年因極端濕冷天氣導緻的失溫、凍傷乃至死亡人數高達數十萬人。特别是對于高海拔及嚴寒地區的運動員和士兵等特殊職業人士來說，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。目前，電熱服等主動發熱技術依賴外部能源，智能纖維等被動發熱技術保暖性能又有限。能夠應對極端濕冷天氣的自适應、高效、長效發熱保溫技術一直是巨大的挑戰，這對于長期暴露于極端濕冷環境中的流浪者、極限運動員、士兵等特殊職業人士意義非凡。
近日，蘇州大學李相鵬、孫立甯教授團隊聯合中國科學技術大學張世武教授、澳洲新南威爾士大學唐詩楊教授、軍事科學院國防科技創新研究院曹路研究員、西北工業大學肖冰教授以及澳洲伍侖崗大學李衛華教授組成的國際聯合團隊，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-液态金屬微顆粒（Al@LM-MPs）。在外層镓基室溫液态金屬的催化作用下，鋁金屬微核心在常溫常壓下即可靈敏地感覺周圍空氣中的水分子，并發生高效放熱反應（3秒内升溫超過200℃，轉化率超過99.1%）。這一新機制打破了人們對金屬鋁在常溫常壓下因表面鈍化無法與水發生反應的傳統認知。相關成果以“Humidity-Responsive Liquid Metal Core–Shell Materials for Enduring Heat Retention and Insulation”為題，發表于頂級期刊《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 毫米厚度的智能發熱服能夠提供超過 24 小時的持續保溫效果，而同等條件下的商用暖寶寶僅能發熱 4-6 小時。以 Al@LM-MPs 為填料研制的智能發熱服，還可在濕冷環境中根據環境濕度自适應調節發熱溫度，實作持久且舒适的保溫效果，甚至在厭氧環境中也同樣适用（圖2、圖3）。研究團隊在環境模拟器中模拟了在非洲第一高峰乞力馬紮羅山高海拔雨林環境（海拔：2340米， 濕度：90%， 溫度：7.8 ℃）的長期戶外暴露實驗。未穿智能發熱服的對照組受試者在暴露後約24分鐘後體溫即降至36℃以下，并出現了寒戰、肌肉不受控等明顯失溫症狀。作為對比，智能發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适區（圖4）。基于Al@LM-MPs技術的智能發熱服便攜性強、成本低，且制造技術簡單，相容現有商用暖寶寶生産線，非常适合大規模生産和商業推廣，可為長期暴露于極端濕冷環境中的流浪者、極限運動員、以及軍人等特殊職業人士提供有緊急、長效保溫。蘇州大學機電工程學院博士生陳宣翰、大學生孫銘遠，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、孫立甯教授、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。該課題得到了江蘇省傑出青年科學家基金、國家自然科學基金共融機器人重大研發計劃、江蘇省高校自然科學基金重點項目以及澳洲研究理事會未來獎學金等基金的資助和支援。
圖1. 智能發熱服裝機理及結構。
圖2. Al@LM-MPs微顆粒的濕熱性能。
圖3. 智能發熱服性能測試。
圖4. 智能發熱服失溫實驗。
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來源：高分子科學前沿
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