研究背景
寒冷且湿度高的环境会严重影响衣物隔热的效果，导致禁食能力下降。因此，即使在相对温和的天气下，无家可归者和老人等弱势群体也可能面临危及生命的风险。此外，出汗和潮湿天气会导致布料的性能大幅下降，这是高海拔登山者面临的主要威胁。呆在家里最简单的方法有使用燃料炉或集成电热设备来加热布料。然而，这些方法依赖于燃料或外部电源，这在烟雾环境中可能不易获得。被动方法，如湿度刺激织物、用门控纤维控制排放、通过纺织品控制传输、日光浴、多材料气凝胶纤维、棉基纱线、使用“冷冻纺丝”方法的仿生纤维和传统隔热毯，虽然在一定程度上展现了保温能力，但在极端寒冷和潮湿条件下，其效果并不理想。在衣服中加入化学反应加热材料虽可以提供出色的保温能力，但它们对环境湿度的变化反应不足，导致穿着不舒服和寿命短。因此，开发一种能够在极端情况下有效应对湿度和温度变化的自适应加热技术，仍然是一个重大挑战。
研究成果
近日，苏州大学李相鹏教授、孙立宁教授&英国南安普顿大学唐诗扬副教授&中国科学技术大学张世武教授，合作报道了一种使用铝芯-液态金属外壳微粒(Al@LM-MPs)湿度响应的自热衣物。Al@LM-MPs具备与空气中的水分子反应产生热量的独特能力，在宽的温度范围内表现出显著的敏感性。这一特性使得基于Al@LM-MPs智能服装的诞生，它能够自主应对极端寒冷和潮湿的天气条件，提供持久的保温和隔热能力。相关研究工作以“Humidity-Responsive Liquid Metal Core-Shell Materials for Enduring Heat Retention and Insulation”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
研究内容
研究者合成了铝核-液态金属壳微粒(Al@LM-MPs)，发现其具有湿度刺激的自适应加热能力。Al@LM-MPs随后被用作制造具有长期保温和隔热能力服装的填料（图1）。保温功能源于Al核心逐渐可控地溶解到LM外壳中。这一过程不断暴露铝芯，使其能够以高度敏感与周围的水分子反应。此反应放热，因此能够在宽的温度范围内自适应地产生热量（图1A）。与现有的商用加热材料相比，Al@LM-MPs由于其高转化率（99.1%）和特定能量（ΔH=-1728kJ·mol-1），表展现出显著更高的热效率。在短短4s内，表面温度从室温（25°C）迅速上升到220°C（图1B）。这可以通过暴露一层薄薄的Al@LM-MPs（厚度1mm，粒径≈1μm）转化为水蒸气（流速：8mL·min-1）证明。因此，Al@LM-MPs作为智能加热衣（SHC）的填充物，能够产生对环境湿度水平有反应的热量（图1A）。具有诸多显著优势，如增强舒适性、快速响应、提高粘附效率、延长使用寿命、在宽温度范围内的多功能性和可回收性。这些特性对于应对恶劣天气条件下或极限运动活动中的紧急情况特别有价值（图1C）。
图1. Al@LM-MPs湿度刺激加热的示意图。(A) 湿度刺激加热纺织品填充Al@LM-MPs，可通过吸收皮肤呼吸和周围空气中的水蒸气来产生热量；右下图为Al@LM-MPs的SEM图像；右上图显示了结构和湿度刺激的加热机制；(B) Al@LM-MPs嵌入式服装的快速加热的热图像；(C) Al@LM-MPs嵌入式服装的持久保温原理示意图。
图2. 湿度刺激加热性能的表征。(A) 不同活性炭Al@LM-MPs重量比下加热温度与时间的关系图；(B) 不同环境湿度下加热温度与时间的关系图；(C) Al@LM-MPs的加热温度响应；(D, E) Al@LM-MPs的长期循环试验；插图为循环试验开始和接近结束时的放大曲线；(F) Al@LM-MPs相对于时间的加热温度图；(G) Al@LM-MPs（活性炭：10%）和商业放热填料在空气中相对于时间的加热温度图；(H) Al@LM-MPs（活性炭：10%）和商业放热填料在厌氧环境中相对于时间的加热温度图。
图3. 智能加热服（SHC）特性。(A) SHC试件的柔韧性试验；(B) SHC单品的透气性；(C) SHC和聚酯织物的水蒸气透过率和透气性的比较；(D, E) SHC的长期循环试验；插图为循环试验开始和接近结束时的放大曲线；(F) SHC响应周围湿度记录的加热温度；(G) SHC响应气流的加热温度。
图4. 智能加热服（SHC）的特性。(A) 在环境模拟器中低温实验的设置；(B) 低温实验期间SHC和志愿者身体之间的小气候；(C) 低温实验过程的热像仪记录；(D) 在体温过低实验中测量了两名志愿者的体温；(E) 出汗对SHC加热性能影响的评估。
结论与展望
总之，这项研究报道了铝芯-液态金属壳微粒(Al@LM-MPs)的独特能力，能够以非凡的灵敏度检测和响应周围的水分子。Al@LM-MPs表现出长的保温时间和显著的温度调节范围，超过了当前的化学和物理隔热技术。Al@LMMPs的独特能力使得湿度响应型的自加热智能服装在极端条件下能持久保温和隔热。此外，Al@LM-MPs易于制造和回收，非常适合大规模生产和商业推广。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202404705
