2021-01-12 18:16:21聖天使

吸汗除異味、用汗發電,全新納米吸水材料問世



(文/學術頭條)

出汗,似乎是人類最平凡普通的生理特徵。

一方面,人的身體內分布着 300 萬左右的汗腺,負責汗液的產生與排出,同時具有調節體溫、排出部分代謝廢物的作用;另一方面,過於發達的汗腺有時也會給人們帶來苦惱:粘膩的汗水打濕衣物,不僅讓人感到難受,還可能散發出「不友好」的味道。


如今,一種新型納米吸水材料有望幫我們解決這一問題。

近日,來自新加坡國立大學(the National University of Singapore)的研究人員,製作出了一種全新納米吸水材料 Co-SHM,這種薄膜狀的材料能夠使皮膚上的汗水快速蒸發,其吸水量是傳統材料的 15 倍,吸水速度則是傳統材料的 6 倍。

更巧妙的是,它還利用水驅動發電技術,將人體汗液中的水分收集起來,為手錶、健身追蹤器等可穿戴電子設備供電。




圖 | 團隊成員(來源:新加坡國立大學)

相關研究論文以「Super-hygroscopic film for wearables with dual functions of expediting sweat evaporation and energy harvesting」為題,已發表在科學期刊 Nano Energy 上。


大膽嘗試:從汗液中吸水

我們知道,汗液的主要成分是水,當水分從皮膚表面蒸發時,皮膚溫度隨之降低。然而,如果汗液從皮膚表面蒸發的速度低於汗液分泌的速度,就會積累形成明顯的汗漬,特別是在腋下、腳底等汗腺發達的部位。

此外,這些部位的汗液積累會導致細菌滋生,從而形成各種疾病。如果能夠找到一種加速汗液蒸發的吸濕劑,那麼這對提升人類舒適感和加速可穿戴電子產品的發展都將具有重大意義。


傳統的吸水材料,例如沸石和硅膠等,一般是塊狀固體結構,難以應用於人的服裝等物品之中,且其吸水率較低,並不適用於吸收汗液。

而此次研究團隊研發出的 Co-SHM,實際上是一種鈷基超吸濕納米材料(cobalt-complex-based super-hygroscopic material),它呈藍色透明薄膜狀,主要成分是兩種吸濕性化學物質——氯化鈷和乙醇胺(cobalt chloride and ethanolamine)。




圖 | d 為 Co-SHM薄膜成品;e、h、i 為 Co-SHM 的顯微圖像;f 為 Co-SHM 薄膜的橫截面掃描電鏡圖像;g 為 Co-SHM 薄膜的吸濕孔徑分布(來源:該論文)

從圖中可以看到,Co-SHM 材料的吸濕孔徑密集,且直徑通常介於 30-60 納米,這使得它具有超高吸水率和快速吸水的特點。


更完美的是,Co-SHM 可通過自然光「再生」,可重複使用達到 100 次以上。所謂的「再生」過程,其實是兩種材料狀態的轉變:研究人員首先制出脫水狀態的薄膜成品(Co-SHM-DH),它在吸水之後會達到水合狀態(Co-SHM-H),而後當暴露在自然陽光下時,所含的水分被釋放出來,Co-SHM 也就隨之「再生」,從而可以反覆被利用.




圖 | Co-SHM 吸收/解吸水分過程示意圖(來源:該論文)

此外,氯化鈷作為 Co-SHM 的主要成分之一,是一種熟知的水分傳感金屬鹽,它在吸收水分後,會發生明顯的顏色變化,從藍色變為紫色,最後變為粉紅色,這一變化過程還是可逆的。

因此,在使用 Co-SHM 薄膜作為吸水材料時,人們可以清晰地觀察到其顏色變化,此功能也就可以用作水分吸收程度的指標。


不僅吸水,還能供電

如果只是簡單的吸濕,那麼 Co-SHM 大概只能被用作提升人類舒適感。但顯然,研究團隊並不甘心止步於此——為了充分利用已被 Co-SHM 吸收的水份,他們還設計了一種可穿戴式供電設備(wearable energy harvesting device,WEHD),該設備由水驅動發電,能夠為手錶、健身追蹤器等可穿戴電子設備供電。


研究人員在實驗過程中發現 Co-SHM 吸收水分子後,其內部的游離電子數量會增加,也就是說,Co-SHM 內部產生了電子運動。受此啟發,研究人員將 Co-SHM 作為電解質,用銅和鋅作為電極,構建了八個電化學電池(electrochemical cell,EC),這些電池夾在兩個透氣防水的聚四氟乙烯膜(PTFE)之間,具有很高的柔韌性。




圖 | WEHD 的原理圖工作機制(來源:該論文)

經過試驗,每個 EC 吸收水分後可產生約 0.57V 的電量,總能量足以為發光二極管(LED)供電。




圖 | WEHD 運行 10 分鐘後,成功點亮了與之相連的紅色 LED(來源:該論文)


雖然單個 EC 幾乎不能為大多數需要高於 1V 電壓的電子產品供電,但幸運的是,EC 的簡單結構和高靈活性使得它易於擴展以供實際應用。這個概念驗證實驗也驗證了用人類汗水為無電池可穿戴設備供電的潛力。


這些新產品,你心動了嗎?

除了理論實驗,研究團隊還制出了能夠真正應用於人們實際生活的日常用品:腋下吸汗墊、鞋內襯和鞋墊。


研究人員通過將 Co-SHM 膜夾在兩個透氣防水的 PTFE 膜之間,成功製成腋下吸汗墊成品,在隨後的實驗中:被試人左肢腋下放置吸汗墊,右肢腋下則未放置吸汗墊,在溫度 34℃、相對濕度 80% 的環境中行走 30 分鐘後,結果顯示,左邊衣物仍然乾燥。這說明,由 Co-SHM 製成的腋下吸汗墊效果顯著。




圖 | a 為腋下吸汗墊結構示意圖;b 為腋下吸汗墊成品圖;c 為腋下吸汗墊增強汗液蒸發示意圖;d 為實際實驗照片(來源:該論文)


此外,研究團隊還用 Co-SHM 制出吸水效果顯著的鞋內襯和鞋墊,不僅可以防止鞋子進水,還能阻止已被吸收的水漏出,乾燥的環境將有效抑制細菌和真菌生長。

研究團隊的共同負責人、材料科學與工程系的丁軍教授解釋說:「鞋墊的原型是通過 3D 打印創建的,所用材料是軟聚合物和硬聚合物的混合物,因此也具有足夠的支撐力和較好的減震效果。」





圖 | 基於 Co-SHM 製造的吸汗「鞋墊」(來源:新加坡國立大學)

現階段,研究團隊希望通過與商業公司合作,將這種新型吸濕薄膜融入各種生活產品中並投入生產。也許不久的將來,有着多汗苦惱的人們就能享受更加舒適便捷的生活啦!---(鈦媒體)


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