蘇州納米所王錦Chem. Soc. Rev.：水凝膠的熱管理機制與應用
在全球能源需求持續(xù)增長與低碳轉型的背景下，發(fā)展高效、自適應且可持續(xù)的熱管理技術已成為多領域的挑戰(zhàn)。水在自然界中具有獨特而重要的熱物理特性，憑借其較高的比熱容和汽化潛熱，水在調控環(huán)境溫度、維持人體熱平衡以及緩解熱波動等方面發(fā)揮著關鍵作用。然而，水的直接應用在工程場景中往往受到結構穩(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節(jié)能力，是熱管理領域關注有待突破的問題。
近年來，水凝膠作為一種由三維高分子網(wǎng)絡與大量水分構成的軟物質體系，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，實現(xiàn)對水分分布、遷移與相變行為的有效調控，在蒸發(fā)致冷、熱儲存、導熱調節(jié)和輻射制冷等多個方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，從而解決可穿戴熱管理、建筑節(jié)能、器件散熱等領域的熱調控瓶頸。為此，圍繞水凝膠在熱管理領域的基礎科學問題與應用探索，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員等近年來開展了系統(tǒng)研究。團隊此前探索了水凝膠在光熱轉換熱管理與相關場景中的應用，闡明了水凝膠通過光熱/相變轉化和結構設計實現(xiàn)多機制協(xié)同熱調控的基本規(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，通過引入多級孔結構與發(fā)泡復合設計策略，在顯著降低材料密度的同時，實現(xiàn)了水凝膠在熱管理性能與結構穩(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和極端環(huán)境應用中的實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)總結了水凝膠熱管理領域的發(fā)展現(xiàn)狀、基本機理與應用進展（圖1，圖2） 。該綜述從蒸發(fā)致冷、熱儲存、熱傳導和輻射制冷等方面，系統(tǒng)梳理了水凝膠實現(xiàn)熱調控的理論基礎，著重討論了水分狀態(tài)、氫鍵作用、多尺度傳熱傳質行為以及材料自身結構對熱管理性能的影響（圖3，圖4）。
圖1. 水凝膠熱管理發(fā)展進程
圖2.水凝膠熱管理應用場景
圖3. 水凝膠熱管理機制
圖4. 水凝膠熱管理結構劃分
文章進一步對水凝膠在可穿戴熱管理、生物醫(yī)學敷料、建筑節(jié)能、電子與電池熱管理等應用方向的研究進展進行了歸納與分析。該綜述還對比了水凝膠與氣凝膠等其他先進熱管理材料的特點，指出二者在機理上互補，未來通過構建水凝膠-氣凝膠復合體系，有望融合高效主動冷卻與超強被動隔熱的優(yōu)勢，開拓更為廣闊的應用空間。
該綜述工作為水凝膠熱管理領域提供了較為系統(tǒng)的理論框架和材料設計思路，有助于推動水基熱管理材料在多場景下的進一步研究與應用。研究團隊未來將繼續(xù)圍繞水凝膠及輕水材料在極端環(huán)境熱防護和實際工程應用中的關鍵問題開展深入研究(圖5)。
圖5. 水凝膠熱管理應用策略分析
中國科學院蘇州納米技術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。該工作得到了國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金和蘇州市科技局揭榜掛帥項目的支持。
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