Nano-Micro Letters | 超轻聚（N-异丙酰氨基）水凝胶：通过绝缘和冷却实现被动热管理的轻质水材料

文章来源：北科纳米专业的纳米材料合成专家浏览次数：155时间：2026-03-20 设计合成：18101240246

尽管水资源丰富、热容量高且环境友好，但长期受限于其内在密度（~ 1.0 g cm −3）和流体性质，限制了其作为轻质、结构稳定材料的使用，无法超过冰点。因此，将水重构为超轻且类似固体的形态，同时保留其固有的热和光学优势，对于下一代冷却技术具有重要意义，这些技术要求低质量、便携性和可持续性。本文报道了一种基于聚（N-异丙烯酰胺）的超轻水凝胶，其中掺入空心泡沫微球，形成超低密度水材料。通过将水限制在复合网络中，水凝胶在保持 52.7 wt%的高含水量的同时，实现了 0.041 g ⁻³的创纪录低密度。微球形成密封气囊，作为高效的热屏障，热导率仅为 0.034–0.039 W m −1 K −1，热级测试中温度差>50°C。此外，水凝胶表现出优异的光谱特性，太阳反射率高（0.94）和红外发射率（0.84），在户外实验中实现高达 10.8°C 的亚环境冷却。超低密度、机械稳健性和多功能热调节的协同作用，展示了实现实用轻水材料的可行路径，实现节能、便携和可持续的热管理。该研究以题为“Ultra-Light Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogels: Light Weight Water Materials for Passive Thermal Management via Insulation and Cooling”发表在Nano-Micro Letters上。轻质水材料的制备。a 作为建筑材料的水与固态冰状态示意图。b 轻质水材料的合成步骤。c 球棍模型展示水凝胶的聚合与网络形成过程。d 轻质水材料置于康乃馨上。e 花朵表面的轻质水材料。超轻水凝胶的密度与含水量。a–c柱状图分别展示了交联温度为80°C、添加去离子水10 mL、20 mL和30 mL的超轻水凝胶的密度与含水量。（误差线代表三次测量的标准偏差。）d六种水凝胶样品的密度与含水量汇总。（误差线代表三次测量的标准偏差。）e LWM80-8-10水凝胶在去离子水中浸泡1小时和12小时后的照片图像。f LWM80-8-10水凝胶在己烷中浸泡1小时和12小时后的照片图像。LWMs的基本表征。a LWMs的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析。b LWM80-8-30干凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像。c LWM80-8-10干凝胶的SEM图像。d LWM80-8-30干凝胶的能谱（EDS）分布图。e LWM80-8-30水凝胶的显微图像。f LWM80-8-30水凝胶的表面粗糙度。g LWM80-8-10水凝胶的显微图像。h LWM80-8-10水凝胶的表面粗糙度。LWM80-8-30、LWM80-8-20、LWM80-8-10、LWM80-6-30、LWM80-6-20及LWM80-6-10的基本特性分析。a 不同样品单次加载-卸载循环的应力-应变曲线。b LWM80-6-10水凝胶单次加载-卸载循环的应力-应变曲线。c 经过三次热循环后的LWM压缩应力-应变图。d PNIPAM 干凝胶与LWM的 TGA 曲线。e 各样品的导热系数标注。f 各样品理论含水量。g 热循环过程中LWM的质量变化数据与蒸发速率。h 不同温度下LWM的质量变化数据与蒸发速率。i 与其他水凝胶的密度及含水量对比

LWMs的隔热性能分析。a 热板实验示意图及装置示意图。b 隔热机制示意图。c LWMs与膨胀聚苯乙烯热板实验装置示意图（热台设定温度为80°C）及实验过程中样品表面红外照片（比例尺：2厘米）。d 不同时间点材料侧面红外照片（热台设定温度为80°C）（比例尺：2厘米）。e LWMs与膨胀聚苯乙烯热板实验的温度-时间变化曲线。f LWMs与纯 PNIPAM 热板实验的温度-时间变化曲线。LWMs的光谱性能与户外热管理性能测试。a 户外冷却机制示意图，包含太阳反射、热辐射及蒸发冷却。b 户外模拟测试的实际图像。c LWM80-8-10超轻水凝胶的光学性能。以标准化ASTM G173全球太阳光谱和大气透明度窗口为背景绘制。d 设备表面覆盖PE薄膜的户外模拟测试照片及红外图像。e 设备表面覆盖PE薄膜的户外模拟测试温度-时间变化曲线（2025年3月17日，中国苏州（31º15 ‘N 120º43 ’E））。f 设备表面未覆盖PE薄膜的户外模拟测试温度-时间变化曲线（2025年3月24日，中国苏州（31º15 ‘N 120º43 ’E））。

总结

一篇发表于《Nano-Micro Letters》的研究报道了一种基于聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）的超轻水凝胶，通过引入中空发泡微球构建了兼具低密度与高热管理性能的“轻质水材料”。该水凝胶密度低至0.041 g·cm⁻³，同时保持52.7 wt%的水含量，实现了水作为结构材料的轻量化重构。其封闭气孔结构赋予材料极低的热导率（0.034–0.039 W·m⁻¹·K⁻¹），在80℃热板测试中可实现超过50℃的表面温降，热屏蔽性能优于商用EPS材料。

此外，该水凝胶表现出高太阳光反射率（0.94）与高红外发射率（0.84），在户外环境下可实现最高10.8℃的被动辐射降温，其冷却机制源于隔热、蒸发与辐射散热的协同作用。该材料在压缩循环中表现出良好的弹性恢复能力，且热稳定性优异（300℃以下无明显分解），为轻量化、可便携、可持续的被动热管理材料提供了新思路。

参考消息：DOI: 10.1007/s40820-025-02057-9

北科纳米-学术前沿公众号


二维材料Frontier	生物纳米材料前沿	MXenes Frontier	纳米医学Frontier