不需要用电也能降温,这种新材料灵感来自骆驼毛

作者:阿金(翻译)来源:麻省理工学院发布时间:2020-11-19

受骆驼毛启发而发明的一种新型双层材料能够提供持续的冷却作用,保持易腐败货物的新鲜度。	


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图片来源:Pixabay


在沙漠的酷热环境中,骆驼们已经演化出一种看似反直觉的方法来保持自身凉爽,同时储存水分:它们身上覆盖着一层厚厚的隔热毛发。如今,麻省理工学院(MIT)的研究人员使用基本相同的方法,研发出一套系统,能够在高温环境下保持药品或新鲜农产品等物品的低温状态,且无需供电系统。


大部人不会想到在炎炎夏日穿一身骆驼毛外套,但实际上,许多沙漠常驻民都会穿厚外套,主要原因和上文一致。骆驼皮毛或者人类的外衣有助于减少水分流失,同时允许足够的汗水蒸发,产生降温效果。试验已经表明,在同样条件下,剃光体毛的骆驼损失的水分要比保留体毛的骆驼多 50%。


MIT 工程师研发的新系统使用双层材料,实现了同样的效果。该材料的底层由水凝胶构成,代替汗腺发挥作用。水凝胶是一种主要由水分构成的胶状材料,其中含有海绵状基质结构,水分能够轻易从中蒸发出去。水凝胶上面覆盖一层气凝胶,发挥皮毛作用,阻挡外部热量的进入,同时允许蒸汽通过。


水凝胶早已应用到冷却领域,但实地检测和详细分析表明,这种新型双层材料,虽然厚度不到半英寸(约 1.27 厘米),却可降温7摄氏度以上;并且与单独使用水凝胶相比,新型双层材料保冷时间长达 8 天以上,是后者(不到 2 天)的 5 倍之久。


该研究发表在《焦耳》(Joule)杂志上,参与研究的有 MIT 的博士后 Zhengmao Lu、研究生 Elise Strobahc 和 Ningxin Chen,研究员科学家 Nicola Ferralis 和 MIT 材料科学和工程系主任 Jeffrey Grossman 教授。


研究人员说,该系统可用于食品包装,从而保持食物新鲜度,为农民出售易腐败作物提供更多的供应选择。同时,它还能用于储存诸如疫苗等药物,保证安全的远距离运输。这一被动系统纯粹通过热量供能,因而除了提供冷却作用外,它还可以减少物品经历的温度变化,消除会加速腐坏的高温尖峰。


Ferralis 解释说,这样的包装材料能够为易腐坏的食品或者药品提供持久的保护,从农场或工厂开始,通过供应链,到千家万户。与此相对的是依赖冷藏卡车或者储藏设备的现有系统,在装货卸货的时间间隔可能会出现高温尖峰。“仅仅几个小时内发生的事情,可能对某些易腐败食品非常关键。”Ferralis 如此说道。


新双层系统中用到的基本原材料相当廉价:气凝胶由二氧化硅制成,在海滩沙子中随处可见,取材便宜,原料充沛。但用于制造气凝胶的加工设备庞大且昂贵,因此这方面需要进一步研究,以便扩大系统规模,产生实际应用。但是,至少有一家初创公司已在开发大规模的加工工艺,使用这一材料制造隔热窗户。


数世纪以来,人们使用水分蒸发的基本原理,通过各种形式产生冷却效果,包括使用双层蒸锅系统来保存食物。这一方法用到两只陶锅,一只套在另一只里面,两只锅之间铺上一层湿润的沙土。水分从沙土中蒸发出来,通过外层锅,保持内层锅的凉爽温度。但是,结合隔热层的蒸发冷却技术,比如像骆驼和其他沙漠动物的做法,之前从来没有应用到人造冷却系统中。


对于诸如食品包装的应用,水凝胶和气凝胶材料的透明性很重要,人们透过包装能够清晰看到食品的状态。但对于其他应用,比如药品或者太空冷却,可以使用不透明的隔热层,该论文的主要作者 Lu 说,这样能够为特定用途的材料设计提供更多选择。


水凝胶材料中 97% 的成分是水,会逐渐蒸发流失。在实验设计中,一层 5 毫米的水凝胶上覆盖着 5 毫米的气凝胶,水分完全蒸发最终用了 200 小时;而仅仅使用水凝胶的话,完全蒸发只要 40 小时。双层材料的冷却能力则略低一些,相对于单层水凝胶的 8 摄氏度,该新材料只降低了 7 摄氏度,但冷却效果却更加持久。一旦水凝胶中的水分蒸发殆尽,可以通过给材料重新加水来实现循环使用。


Lu 说,发展中国家的电能供应往往有限,这样的材料在这些国家大有益处。“因为这种被动冷却方法完全不依靠电力供应,这为从储存到配送这些易腐败物品提供了优良的应用途径。”


来源链接:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/miot-psh110920.php 

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