华中科技大学卢翔/吉晓帆AFM: 可视化吸湿性和解吸过程的仿生被动冷却水凝胶

自吸湿性水凝胶（ Self-hygroscopic hydrogels , SHs ）是一种在智能被动冷却材料领域极具潜力的材料。这种潜力主要源于它所具备的诸多优秀的性质，例如环境友好性、冷却效率高、自调节特性和循环稳定性。这些自吸湿性水凝胶的蒸发焓相当高，这一特性与它的内部结构密切相关。其独特的内部结构使得它们能够敏锐地依据环境湿度的变化来吸收或者释放水分，这种根据环境湿度变化而灵活调整的能力是它成为优秀冷却材料的重要原因之一。

然而，当作为冷却材料的自吸湿性水凝胶达到使用阈值进而失效之后，电子设备必然会持续产生热量。电子设备在运行过程中会不断地产生热量，如果没有有效的冷却措施，热量就会不断累积，从而影响电子设备的运行效率。所以， 开发具备 冷却能力可视化的新型自吸湿性水凝胶 就变得迫在眉睫。

华中科技大学 卢翔 教授和 吉晓帆 教授的研究团队 提出了一种用于电子设备可视化冷却的湿度 - 颜色敏感水凝胶（ humidity-color-sensitive hydrogels ， HCSHs ）策略。设计了一种溶剂极性敏感的聚集诱导发射（ aggregation-induced emission ， AIE ）分子。并通过自由基共聚和盐浸泡合成了冷却材料聚 [ 丙烯酰胺 -co-2- （ n-3 磺丙基 -n ， n- 二甲基铵 ) 甲基丙烯酸乙酯 -co-]LiCl （ PADAL ）。在设备运行过程中，多余的热量通过水分蒸发散失，使 PADAL 水凝胶由红色变为黄色再变为绿色。当温度降低时，绿色的 PADAL 吸收水分，逐渐变黄，然后变红。随着含水量的增加，水凝胶呈现出明显的颜色变化，使得水凝胶的冷却能力可视化。 该工作以“ Bioinspired Passive Cooling Hydrogel for Visualizing Hygroscopicity and Desorption Process ”为题于 2024 年 11 月发表于《 Advanced Functional Materials 》上。

【制备工艺】

首先，使 SPSAM 、 AM （丙烯酰胺） 和 DMAPS [3-(N,N-Dimethylmyristylammonio)propanesulfonate] 这三种物质通过共聚反应的方式，进而形成原始的水凝胶。然后，把经过干燥处理后的原始水凝胶浸入氯化锂溶液之中。这一操作的目的在于提升水凝胶骨架的膨胀率以及自吸湿性。

【文章亮点】

1. 冷却能力可视化的新型自吸湿性水凝胶 : 研究论文提出了一种全新类型的湿度 - 颜色敏感水凝胶。实现了水凝胶的高吸湿性和可视化能力，使水凝胶能够凭借自身颜色的变化来直观地监测其自调节过程。这种能力可用于监测电子设备中的散热，确保其高效、可靠和安全运行。

2. 优异的自吸湿性和强附着性： 通过调整聚合物骨架和盐的含量，优化了 PADAL 的自吸湿性，使得 PADAL 的吸湿性在 20°C 和 70% RH 下明显高于其他水凝胶。另外， PADAL 表面的非特异性粘性基团，如疏水性基团、带电基团、和氢键供体使其具有强附着力。

3. 显著的降温能力 ：在实验制造的自约束装置中，在其他实验数据相同的条件下，当加热板表面被覆盖上 PADAL （ d=1mm, S=1cm ² ）时，和未覆盖 PADAL 时的 50 ℃、 80 ℃和 110 ℃相比其温度最终分别稳定在 43 ℃、 70 ℃和 102 ℃。与其他已经报道的制冷材料相比， PADAL 具有快速冷却和显著降温的优点。

4. 长期的冷却性能 ：通过细致的分子和水凝胶结构设计开发了一种具有长期高性能冷却能力的水凝胶。 PADAL 在循环过程中具备出色的恢复能力和稳定性。在实验过程中表现为在非平衡态和平衡态下测量的最大温差（Δ Tmax ）和最小温差（Δ Tmin ）仅表现出微小波动。

图 1. a) 地衣的湿度响应颜色变化现象 b) 变色龙 的湿度响应颜色变化现象 c) PADAL 制备示意图 d) PADAL 的颜色变化机理及吸湿解吸过程的可视化

图 2. a) 计算 SPSAM 在水中的 HOMOs 、 LUMOs 和能隙（Δ E ） b) 计算 SPSAM 的基态 HOMO-LUMO 能量谱，以及它在 TPE 和吡啶单元之间的 𝜃 c) 在各种溶剂（甲苯、四氢呋喃、乙氧乙酸、 MeCN 和 DMSO ）中的归一化荧光光谱（ 𝜆 _ex =420nm ） d) SPSAM 的发光机理

图 3. a) 力学 b) 微观结构 c) PADAL 流变特性 d) 400nm 激发下不同含水量下 PADAL 的部分归一化发射光谱 e) 最大发射量（ 𝜆 _max ）与 PADAL 含水率的相关关系，并附有拟合曲线 f) 不同含水量 PADAL 的荧光照片

图 4. a) PADAL 接触角随时间变化图 b) 膨胀比 c) PADA 和 PADAL 的吸湿能力 d) 等温吸湿曲线 e) PADAL 解吸动力学曲线 f) 25 ℃、 90% RH 、 90 ℃、 10% RH 条件下 PADAL 吸湿 - 解吸循环性能 g) 循环前后 PADAL 的热重分析（ TGA ）

图 5. a) PADAL 附着在各种粘附物上，粘附面积为 𝜋 cm ² b) PADAL 与木材、玻璃、塑料、硅等不同基材之间单位长度的界面粘合剂，粘接面积为 1cm ² c)10 次附着 / 剥离循环中 PADAL 与不同基质的最大粘附强度 d) 10 次附着 / 剥离循环后 PADAL 与硅衬底界面的显微图像 e) 无附着力的水凝胶热力学模拟结果 f) 有附着力的水凝胶热力学模拟结果