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。
来源 麻省理工学院
翻译 阿金
审校 戚译引
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。”
论文信息
【标题】Passive Sub-Ambient Cooling from a Transparent Evaporation-Insulation Bilayer
【作者】Zhengmao Lu, Elise Strobach, Ningxin Chen, Nicola Ferralis, Jeffrey C. Grossman
【日期】2020 年 11 月 11 日
【期刊】Joule
【编号】10.1016/j.joule.2020.10.005
【链接】https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120304943
【摘要】Hydrogel-based evaporative cooling, which mimics perspiration of mammals, provides great potential to reduce energy consumption for thermal regulation. Yet, environmental heat gain presents a critical challenge to this cooling strategy at sub-ambient temperatures. Herein, inspired by the fur layer of desert animals, we propose an evaporation-insulation cooling design based on hydrogels and aerogels. Our transparent bilayer structure relies on water evaporation from hydrogels through highly porous aerogels that are of ultralow thermal conductivity and minimize heating from the surroundings. Consequently, this bilayer design allows for optimization between the temperature drop from the ambient and the effective cooling time, which we demonstrated through both modeling and experiments. We show that our hydrogel-aerogel structure can extend the lifetime of the cooling package by 400% compared with the conventional single-layer design. We further provide design guidelines for various cooling applications, including thermal regulation of food, pharmaceuticals, and buildings.