苏州纳米所王锦ACS Nano综述：可穿戴气凝胶用于人体热管理和智能器件

气凝胶的超低热导率使其具有优异的隔热保温性能，在建筑、工业、运输、石油化工等领域起到重要的节能减排作用，是一种助力实现“双碳”目标的明星材料。特别是近年来随着新能源电动汽车和航空航天的大力发展，基于气凝胶的“超级隔热保温”应用获得社会各界的广泛关注。与大众息息相关的日常保温应用，如气凝胶用于可穿戴个人热管理（超轻保温服、轻质耐高温防护服等），也获得学术和产业界的广泛兴趣和研究投入。然而，自1931年首次报道气凝胶以来，关于何时发现气凝胶具有优异的隔热保温性能，气凝胶用于哪些隔热保温场景，什么时候气凝胶开始用于人体热管理，气凝胶用于可穿戴人体热管理面临哪些关键问题等等，都有待系统性的回答。此外，气凝胶的热管理仅仅是“隔热”和“保温”吗？

近年来，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员与合作者发现并报道了系列有别于气凝胶“隔热保温”的“另类”热管理行为，如主被动加热（ACS Appl Mater Interfaces2022,14,46569;ACS Appl Eng Mater2023,1,2269;ACS Nano2015,9,4244）、被动辐射致冷（Adv Funct Mater2023,33,2300441;Adv Sci 2022,9,2201190;J Mater Chem A2023,11,15227）、自适应温度调控（ACS Nano2021,15,19771;ACS Nano2015,9,11389;Chem Eng J2023,470,144258;Macromol Rapid Commun2023,44,2200948）、温度开关（Device2023,1,100095;Adv Mater2023,35,2207638）、可穿戴器件（Adv Mater2024,36,2310023;Adv Funct Mater 2024,34,2314947;）、耐1300℃高温涂料（Adv Funct Mater2023,33,2309148）等。可见气凝胶具有丰富的热管理行为，为可穿戴人体热管理应用提供了各种选项。最近，为了回答上述问题，王锦等人结合团队研究成果，通过追本溯源，查阅大量历史文献和最新的研究成果，在ACS Nano上发表了题为Wearable Aerogels for Personal Thermal Management and Smart Devices的综述文章，系统性地梳理了气凝胶隔热保温的发展历史、可穿戴气凝胶的发展现状以及面临的瓶颈问题等。

如图1所示，气凝胶在生命科学、电子技术、化学工程、航空航天和热管理中具有广泛的应用潜力。但是目前仅氧化硅气凝胶实现了在热管理中的商业应用。与传统服装和纺织品不同，气凝胶既可在极低（-198 °C）温度下使用，又可在极高（~1500 °C）温度下使用，使其可以抵抗异常恶劣条件并在巨大温度波动的环境下使用。然而，目前气凝胶通常用于设备的热防护，例如航空器、建筑、石油运输管道等，气凝胶在人体热管理中的应用面临众多瓶颈问题，如力学强度、耐磨性、舒适性、水洗性等。近年来，随着新的合成方法和结构设计的出现，例如气凝胶纤维、薄膜和复合结构等，逐步实现气凝胶的编织和服装应用。此外，气凝胶不仅可以提供被动隔热，还可以实现太阳能加热、焦耳热、辐射致冷，甚至在加热或致冷之间快速切换。

图1. 气凝胶在热管理方面的具体应用：（a）和（b）极端条件下的设备热防护；（c）和（d）二氧化硅气凝胶在建筑中的节能减排应用；（e）和（f）气凝胶在管道中的隔热保温应用；（g）用于个人被动降温的气凝胶复合薄膜；（h）气凝胶用于双模人体热管理。

基于气凝胶在可穿戴领域取得的重要突破，本综述系统地总结和梳理了气凝胶可穿戴化以及用于人体热管理的最新进展，如图2所示，根据气凝胶的热管理功能可分为五种类型：（1）隔热保温，主要利用气凝胶的超低热导率性能，这也是气凝胶最普遍的热管理应用；（2）主被动加热，主要通过被动太阳光加热或电加热实现气凝胶的供暖；（3）被动降温，主要利用气凝胶在中红外的高发射率和太阳光波段的高反射率实现被动辐射降温；（4）自适应调节，主要结合气凝胶的低热导率、与相变材料复合实现低温下的保温和加热，以及高温下的隔热和降温；（5）可穿戴智能器件，主要基于气凝胶的导电、摩擦生电等功能实现气凝胶的传感器应用。

图2.可穿戴气凝胶用于人体热管理和智能器件示意图

自1931年首次制备出气凝胶以来，经历了相当漫长的时间才实现隔热保温的实际使用。1934年发现气凝胶具有极低的导热系数，1941年测出气凝胶的热导率为0.02 W·m⁻¹·K⁻¹。然而，直到上世纪八十年代才对气凝胶中的热传导进行深入研究。如图3a所示，气凝胶的热传导包括三个部分：（1）固体传导——由于气凝胶的孔隙率可高达99%，其固体传导极小，是气凝胶导热系数低的主要原因之一；（2）气体传导——气体热传导取决于气体分子的平均自由程。由于氧化硅气凝胶的孔径通常小于50 nm，意味着气体传导较弱，进一步导致气凝胶的导热系数较低；（3） 热辐射——虽然氧化硅气凝胶在视觉上是透明的，但它们在红外区域（7–30 μm）表现出强烈的吸收。由于热红外光谱在环境温度下会受到阻碍，通过气凝胶的辐射通量很小。但是在较高的温度下，波长为3-5 μm热辐射可以穿过气凝胶，并且导致热导率显著提高。从图3b可以看出，在2000年之前，气凝胶在隔热中的应用报道寥寥无几，进入2010年以后，气凝胶在隔热保温中的应用被广泛报道，而自2020年以来，气凝胶在可穿戴热管理中的应用增长迅速。

图3. 气凝胶热传导示意图以及气凝胶在热管理应用中的历年文献数量

论文共同第一作者为煤炭科学研究总院吴兵博士、齐庆杰教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士研究生刘玲，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员。该工作获得国家自然科学基金重大研究计划项目、苏州市基础研究试点项目以及煤炭科学研究总院探索项目支持。