科學靈感：不需要用電也能降溫，這種新型材料的靈感來自駱駝的毛


圖片來源：Pixabay
在沙漠的酷熱環境中，駱駝們已經演化出一種看似反直覺的方法來保持自身涼爽，同時儲存水分：它們身上覆蓋著一層厚厚的隔熱毛發。如今，麻省理工學院（MIT）的研究人員使用基本相同的方法，研發出一套係統，能夠在高溫環境下保持藥品或新鮮農產品等物品的低溫狀態，且無需供電係統。
大部人不會想到在炎炎夏日穿一身駱駝毛外套，但實際上，許多沙漠常駐民都會穿厚外套，主要原因和上文一致。駱駝皮毛或者人類的外衣有助於減少水分流失，同時允許足夠的汗水蒸發，產生降溫效果。試驗已經表明，在同樣條件下，剃光體毛的駱駝損失的水分要比保留體毛的駱駝多50%。
MIT工程師研發的新係統使用雙層材料，實現了同樣的效果。該材料的底層由水凝膠構成，代替汗腺發揮作用。水凝膠是一種主要由水分構成的膠狀材料，其中含有海綿狀基質結構，水分能夠輕易從中蒸發出去。水凝膠上麵覆蓋一層氣凝膠，發揮皮毛作用，阻擋外部熱量的進入，同時允許蒸汽通過。
水凝膠早已應用到冷卻領域，但實地檢測和詳細分析表明，這種新型雙層材料，雖然厚度不到半英寸（約1.27厘米），卻可降溫7攝氏度以上；並且與單獨使用水凝膠相比，新型雙層材料保冷時間長達8天以上，是後者（不到2天）的5倍之久。
該研究發表在《焦耳》（Joule）雜誌上，參與研究的有MIT的博士後Zhengmao Lu、研究生Elise Strobahc和Ningxin Chen，研究員科學家Nicola Ferralis和MIT材料科學和工程係主任Jeffrey Grossman教授。
研究人員說，該係統可用於食品包裝，從而保持食物新鮮度，為農民出售易腐敗作物提供更多的供應選擇。同時，它還能用於儲存諸如疫苗等藥物，保證安全的遠距離運輸。這一被動係統純粹通過熱量供能，因而除了提供冷卻作用外，它還可以減少物品經曆的溫度變化，消除會加速腐壞的高溫尖峰。

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Ferralis解釋說，這樣的包裝材料能夠為易腐壞的食品或者藥品提供持久的保護，從農場或工廠開始，通過供應鏈，到千家萬戶。與此相對的是依賴冷藏卡車或者儲藏設備的現有係統，在裝貨卸貨的時間間隔可能會出現高溫尖峰。“僅僅幾個小時內發生的事情，可能對某些易腐敗食品非常關鍵。”Ferralis如此說道。
新雙層係統中用到的基本原材料相當廉價：氣凝膠由二氧化矽製成，在海灘沙子中隨處可見，取材便宜，原料充沛。但用於製造氣凝膠的加工設備龐大且昂貴，因此這方麵需要進一步研究，以便擴大係統規模，產生實際應用。但是，至少有一家初創公司已在開發大規模的加工工藝，使用這一材料製造隔熱窗戶。

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數世紀以來，人們使用水分蒸發的基本原理，通過各種形式產生冷卻效果，包括使用雙層蒸鍋係統來保存食物。這一方法用到兩隻陶鍋，一隻套在另一隻裏麵，兩隻鍋之間鋪上一層濕潤的沙土。水分從沙土中蒸發出來，通過外層鍋，保持內層鍋的涼爽溫度。但是，結合隔熱層的蒸發冷卻技術，比如像駱駝和其他沙漠動物的做法，之前從來沒有應用到人造冷卻係統中。
對於諸如食品包裝的應用，水凝膠和氣凝膠材料的透明性很重要，人們透過包裝能夠清晰看到食品的狀態。但對於其他應用，比如藥品或者太空冷卻，可以使用不透明的隔熱層，該論文的主要作者Lu說，這樣能夠為特定用途的材料設計提供更多選擇。
水凝膠材料中97%的成分是水，會逐漸蒸發流失。在實驗設計中，一層5毫米的水凝膠上覆蓋著5毫米的氣凝膠，水分完全蒸發最終用了200小時；而僅僅使用水凝膠的話，完全蒸發隻要40小時。雙層材料的冷卻能力則略低一些，相對於單層水凝膠的8攝氏度，該新材料隻降低了7攝氏度，但冷卻效果卻更加持久。一旦水凝膠中的水分蒸發殆盡，可以通過給材料重新加水來實現循環使用。
Lu說，發展中國家的電能供應往往有限，這樣的材料在這些國家大有益處。“因為這種被動冷卻方法完全不依靠電力供應，這為從儲存到配送這些易腐敗物品提供了優良的應用途徑。”
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：麻省理工學院
引進鏈接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/miot-psh110920.php


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