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吸汗除异味、用汗发电!全新纳米吸水材料问世,再也不会被嫌弃

2021/01/10 学术头条
导读:新型纳米吸水材料有望帮我们解决出汗烦恼。

出汗,似乎是人类最平凡普通的生理特征。

一方面,人的身体内分布着 300 万左右的汗腺,负责汗液的产生与排出,同时具有调节体温、排出部分代谢废物的作用;另一方面,过于发达的汗腺有时也会给人们带来苦恼:粘腻的汗水打湿衣物,不仅让人感到难受,还可能散发出“不友好”的味道。

如今,一种新型纳米吸水材料有望帮我们解决这一问题。

近日,来自新加坡国立大学(the National University of Singapore)的研究人员,制作出了一种全新纳米吸水材料 Co-SHM,这种薄膜状的材料能够使皮肤上的汗水快速蒸发,其吸水量是传统材料的 15 倍,吸水速度则是传统材料的 6 倍。更巧妙的是,它还利用水驱动发电技术,将人体汗液中的水分收集起来,为手表、健身追踪器等可穿戴电子设备供电。


图 | 团队成员(来源:新加坡国立大学)

相关研究论文以“Super-hygroscopic film for wearables with dual functions of expediting sweat evaporation and energy harvesting”为题,已发表在科学期刊 Nano Energy 上。

大胆尝试:从汗液中吸水

我们知道,汗液的主要成分是水,当水分从皮肤表面蒸发时,皮肤温度随之降低。然而,如果汗液从皮肤表面蒸发的速度低于汗液分泌的速度,就会积累形成明显的汗渍,特别是在腋下、脚底等汗腺发达的部位。

此外,这些部位的汗液积累会导致细菌滋生,从而形成各种疾病。如果能够找到一种加速汗液蒸发的吸湿剂,那么这对提升人类舒适感和加速可穿戴电子产品的发展都将具有重大意义。

传统的吸水材料,例如沸石和硅胶等,一般是块状固体结构,难以应用于人的服装等物品之中,且其吸水率较低,并不适用于吸收汗液。而此次研究团队研发出的 Co-SHM,实际上是一种钴基超吸湿纳米材料(cobalt-complex-based super-hygroscopic material),它呈蓝色透明薄膜状,主要成分是两种吸湿性化学物质——氯化钴和乙醇胺(cobalt chloride and ethanolamine)。


图 | d 为 Co-SHM薄膜成品;e、h、i 为 Co-SHM 的显微图像;f 为 Co-SHM 薄膜的横截面扫描电镜图像;g 为 Co-SHM 薄膜的吸湿孔径分布(来源:该论文)

从图中可以看到,Co-SHM 材料的吸湿孔径密集,且直径通常介于 30-60 纳米,这使得它具有超高吸水率和快速吸水的特点。更完美的是,Co-SHM 可通过自然光“再生”,可重复使用达到 100 次以上。所谓的“再生”过程,其实是两种材料状态的转变:研究人员首先制出脱水状态的薄膜成品(Co-SHM-DH),它在吸水之后会达到水合状态(Co-SHM-H),而后当暴露在自然阳光下时,所含的水分被释放出来,Co-SHM 也就随之“再生”,从而可以反复被利用。


图 | Co-SHM 吸收/解吸水分过程示意图(来源:该论文)

此外,氯化钴作为 Co-SHM 的主要成分之一,是一种熟知的水分传感金属盐,它在吸收水分后,会发生明显的颜色变化,从蓝色变为紫色,最后变为粉红色,这一变化过程还是可逆的。

因此,在使用 Co-SHM 薄膜作为吸水材料时,人们可以清晰地观察到其颜色变化,此功能也就可以用作水分吸收程度的指标。

不仅吸水,还能供电

如果只是简单的吸湿,那么 Co-SHM 大概只能被用作提升人类舒适感。但显然,研究团队并不甘心止步于此——为了充分利用已被 Co-SHM 吸收的水份,他们还设计了一种可穿戴式供电设备(wearable energy harvesting device,WEHD),该设备由水驱动发电,能够为手表、健身追踪器等可穿戴电子设备供电。

研究人员在实验过程中发现 Co-SHM 吸收水分子后,其内部的游离电子数量会增加,也就是说,Co-SHM 内部产生了电子运动。受此启发,研究人员将 Co-SHM 作为电解质,用铜和锌作为电极,构建了八个电化学电池(electrochemical cell,EC),这些电池夹在两个透气防水的聚四氟乙烯膜(PTFE)之间,具有很高的柔韧性。


图 | WEHD 的原理图工作机制(来源:该论文)

经过试验,每个 EC 吸收水分后可产生约 0.57V 的电量,总能量足以为发光二极管(LED)供电。


图 | WEHD 运行 10 分钟后,成功点亮了与之相连的红色 LED(来源:该论文)

虽然单个 EC 几乎不能为大多数需要高于 1V 电压的电子产品供电,但幸运的是,EC 的简单结构和高灵活性使得它易于扩展以供实际应用。这个概念验证实验也验证了用人类汗水为无电池可穿戴设备供电的潜力。

这些新产品,你心动了吗?

除了理论实验,研究团队还制出了能够真正应用于人们实际生活的日常用品:腋下吸汗垫、鞋内衬和鞋垫。

研究人员通过将 Co-SHM 膜夹在两个透气防水的 PTFE 膜之间,成功制成腋下吸汗垫成品,在随后的实验中:被试人左肢腋下放置吸汗垫,右肢腋下则未放置吸汗垫,在温度 34℃、相对湿度 80% 的环境中行走 30 分钟后,结果显示,左边衣物仍然干燥。这说明,由 Co-SHM 制成的腋下吸汗垫效果显著。


图 | a 为腋下吸汗垫结构示意图;b 为腋下吸汗垫成品图;c 为腋下吸汗垫增强汗液蒸发示意图;d 为实际实验照片(来源:该论文)

此外,研究团队还用 Co-SHM 制出吸水效果显著的鞋内衬和鞋垫,不仅可以防止鞋子进水,还能阻止已被吸收的水漏出,干燥的环境将有效抑制细菌和真菌生长。

研究团队的共同负责人、材料科学与工程系的丁军教授解释说:“鞋垫的原型是通过 3D 打印创建的,所用材料是软聚合物和硬聚合物的混合物,因此也具有足够的支撑力和较好的减震效果。”


图 | 基于 Co-SHM 制造的吸汗“鞋垫”(来源:新加坡国立大学)

现阶段,研究团队希望通过与商业公司合作,将这种新型吸湿薄膜融入各种生活产品中并投入生产。也许不久的将来,有着多汗苦恼的人们就能享受更加舒适便捷的生活啦!


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