在寒冷潮湿的天气中，人体微环境湿度上升，衣物保暖能力削弱，人体热量加速流失。据统计，全球每年因极端湿冷天气导致的失温、冻伤乃至死亡人数高达数十万人。特别是对于高海拔及严寒地区的运动员和士兵等特殊职业人士来说，过量代谢排汗亦会严重削弱衣物保暖能力，严重威胁生命健康。当前，电热服等主动发热技术依赖外部能源，智能纤维等被动发热技术保暖性能又有限。能够应对极端湿冷天气的自适应、高效、长效发热保温技术一直是巨大的挑战，这对于长期暴露于极端湿冷环境中的流浪者、极限运动员、士兵等特殊职业人士意义非凡。
近日，苏州大学李相鹏、孙立宁教授团队，联合中国科学技术大学张世武教授、澳大利亚新南威尔士大学唐诗杨教授、军事科学院国防科技创新研究院曹璐研究员、西北工业大学肖冰教授以及澳大利亚伍仑岗大学李卫华教授组成的国际联合团队，成功研制出可应对极端湿冷天气的超级暖宝宝（图1）。其核心在于一种具有核壳结构的铝-液态金属微颗粒（Al@LM-MPs）。在外层镓基室温液态金属的催化作用下，铝金属微内核在常温常压下即可灵敏地感知周围空气中的水分子，并发生高效放热反应（3秒内升温超过200℃，转化率超过99.1%）。这一新机制打破了金属铝在常温常压下因表面钝化无法与水发生反应的传统认知。相关成果以“Humidity-Responsive Liquid Metal Core–Shell Materials for Enduring Heat Retention and Insulation”为题，发表于顶级期刊《Advanced Materials》。
Al@LM-MPs 技术的保温效果远超商用暖宝宝（铁氧化放热），是同等条件下的 4 倍以上。1 毫米厚度的智能发热服能够提供超过 24 小时的持续保温效果，而同等条件下的商用暖宝宝仅能发热 4-6 小时。以 Al@LM-MPs 为填料研制的智能发热服，还可在湿冷环境中根据环境湿度自适应调节发热温度，实现持久且舒适的保温效果，甚至在厌氧环境中也同样适用（图2、图3）。
研究团队在环境模拟器中模拟了在非洲第一高峰乞力马扎罗山高海拔雨林环境（海拔：2340米， 湿度：90%， 温度：7.8 ℃）的长期户外暴露实验。未穿智能发热服的对照组受试者在暴露后约24分钟后体温即降至36℃以下，并出现了寒战、肌肉不受控等明显失温症状。作为对比，智能发热服为实验组受试者提供了有效保温，恒定维持受试者体温始终处于舒适区（图4）。
基于Al@LM-MPs技术的智能发热服便携性强、成本低，且制造工艺简单，兼容现有商用暖宝宝生产线，非常适合大规模生产和商业推广，可为长期暴露于极端湿冷环境中的极限运动员及军人等特殊职业人士提供有紧急、长效保温。
苏州大学机电工程学院博士生陈宣翰、本科生孙铭远，中国科学技术大学博士生荣华锐，军事科学院国防科技创新研究院曹璐研究员为论文的共同第一作者，苏州大学李相鹏教授、孙立宁教授、中国科学技术大学张世武教授、新南威尔士大学唐诗杨副教授为本文的共同通讯作者。该项目得到了江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金共融机器人重大研发计划、江苏省高校自然科学基金重点项目以及澳大利亚研究理事会未来奖学金等基金的资助和支持。
图1. 智能发热服装机理及结构。
图2. Al@LM-MPs微颗粒的湿热性能。
图3. 智能发热服性能测试。
图4. 智能发热服失温实验。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404705
