超吸濕結(jié)鈷合物薄膜，吸法發(fā)電兩不誤運動完衣服還是干的！

在美國情景喜劇《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）第一季當(dāng)中出現(xiàn)過這樣的一幕：實驗物理學(xué)家Leonard第一次與美女鄰居Penny外出約會，出門前卻因過度緊張而導(dǎo)致恐慌癥發(fā)作，不停淌下的汗水把襯衫打濕，顯得十分滑稽。當(dāng)他站在舍友Sheldon面前詢問自己“看起來如何時”，低情商的Sheldon直言——“你腋下的汗?jié)n不要過于明顯！”

這種因汗?jié)n引發(fā)尷尬的情景在生活中也并不少見，尤其是在悶熱的三伏天或是大量運動之后。據(jù)統(tǒng)計，在炎熱天氣下，普通人運動30分鐘，排汗量就可達(dá)到3升/小時，而專業(yè)運動員跑完一場馬拉松，出汗量可能達(dá)到3.4升～6升；有參賽者曾在夏威夷鐵人世界冠軍賽過程中累計排出了15升的汗水。

運動時的大汗淋漓確實讓人感到暢快，可是一旦當(dāng)汗液的蒸發(fā)速度低于分泌速度，汗液就會大量堆積，像Leonard一樣在腋下等敏感位置形成明顯汗?jié)n讓人窘迫不堪；而且貼身衣物、鞋襪也都會變濕漉漉的，緊緊粘在皮膚上，不僅會讓人產(chǎn)生身體上的不適，而且還會給身體帶來潛在危害。

“腋下出汗后會形成高濕的小環(huán)境，進而促進細(xì)菌的生長，產(chǎn)生令人不快的體味。同樣，汗水在鞋子里的積累也可能會導(dǎo)致健康問題，如水泡、老繭、真菌感染也就是常說的腳氣等?！毙录悠聡⒋髮W(xué)材料科學(xué)與工程系的助理教授陳瑞深（Tan Swee Ching）表示。

那么，有沒有一款產(chǎn)品可以做到大量且快速地吸收汗水蒸發(fā)出的水分，防止汗水堆積，讓人們真正能兼得“魚與熊掌”，實現(xiàn)運動也涼爽呢？

基于Co-SHM設(shè)計的鞋內(nèi)襯和鞋墊

歷時半年多，陳瑞深與該校丁軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功制備出一種具有超強親濕性能的鈷絡(luò)合物薄膜（Co-SHM），并將這種薄膜包裹在防水透氣的聚四氟乙烯膜（PTFE）中組裝成一款吸濕產(chǎn)品。

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該產(chǎn)品一方面可以作為腋窩墊、鞋內(nèi)襯和鞋墊，快速吸收汗水蒸發(fā)出的水分，防止汗水堆積，為人們提供干燥的“小氣候”。同時，還可加速汗液蒸發(fā)，降低皮膚表面溫度，使人們感到?jīng)鏊?。另一方面，還可以用其組裝成可穿戴設(shè)備的能源器件，利用吸收汗水蒸發(fā)出的水分來發(fā)電。

該研究成果于2020年發(fā)表在《納米能源》（Nano Energy）雜志，標(biāo)題為《超吸濕膜用于可穿戴設(shè)備，具有加速汗液蒸發(fā)和能量收集的雙重功能》。團隊其他成員包括張雪萍博士、楊佳辰、Ramadan Borayek。

新吸濕膜的吸水量是傳統(tǒng)材料的15倍

沸石和硅膠等傳統(tǒng)吸濕材料，由于存在吸濕動力學(xué)差、吸水量少以及散裝固體結(jié)構(gòu)等問題，很難用于汗水吸收裝置。為突破傳統(tǒng)材料的局限，陳瑞深團隊研究了不同過渡金屬鹽的吸濕行為，并最終選擇將CoCl2和乙醇胺進行結(jié)合，從而開發(fā)了鈷絡(luò)合物基超吸濕材料（C o-SHM）。

其中，氯化鈷是一種比較典型的吸濕性金屬鹽，這種鈷離子也容易與配體結(jié)合形成絡(luò)合物。而乙醇胺是一種廣泛使用的與金屬鹽形成絡(luò)合物的配體，同樣具有吸濕性。因此，通過合理設(shè)計，利用這兩種原材料制備出新材料C o-SHM薄膜，具有顯著增強的吸濕性能。

水蒸氣吸收/解吸過程示意圖

第一排：陳瑞深 ( 左 ) ，丁軍（右）；第二排：楊佳辰（左），張雪萍（中），Ramadan Borayek（右）

在實驗過程中，該團隊發(fā)現(xiàn)在室溫為24.5攝氏度、相對濕度為71%RH的條件下，水蒸氣在碰到Co-SHM薄膜后很快就被“捕獲”。15分鐘后，Co-SHM薄膜表面就可以觀察到明顯的小液滴，隨后液滴逐步變大、并在30分鐘后聚集成更大的液滴。

隨著時間不斷增加，Co-SHM薄膜變得完全潤濕，并在24小時后形成連續(xù)性水膜。有趣的是，在水蒸氣的吸收過程中，可觀察到薄膜發(fā)生的明顯色變——逐漸從藍(lán)色變?yōu)樽仙?，最后變?yōu)榉奂t色，這說明Co-SHM薄膜還可作為水分吸收程度的指示器。

“與日常生活中常用的硅膠、分子篩等吸濕產(chǎn)品相比，我們制備的材料吸濕能力顯著增強，飽和吸水量大約是他們的15倍，而且吸收速率非常快，約是硅膠等的6倍，”陳瑞深介紹道。

除了吸濕能力顯著增強外，Co-SHM在太陽光照射或者加熱到60攝氏度即可釋放吸收的水分，實現(xiàn)材料的再生利用，與其他吸濕性材料相比，Co-SHM無疑具有更高的能源效率。并且，Co-SHM在超過100個吸收/解吸循環(huán)后依然保持出色的穩(wěn)定性和耐久性，每個循環(huán)后只有約2%的水分無法完全解吸。

陳瑞深表示，與其他吸濕材料相比，Co-SHM薄膜制備簡單、再生容易，多次重復(fù)利用后性能基本保持不變，可大大簡化產(chǎn)品制備過程，并能降低生產(chǎn)成本。這些優(yōu)勢使其成為水蒸氣吸收劑中最有前景的候選材料之一。

利用Co-SHM制備出功能化可穿戴設(shè)備，加速汗液蒸發(fā)

腋窩墊的配置示意圖

因此，他們將Co-SHM薄膜與透氣防水的PTFE膜進行組裝，進而設(shè)計并制作了材質(zhì)柔軟的腋窩墊、鞋襯里、鞋內(nèi)底等功能化可穿戴產(chǎn)品。

其中，基于Co-SHM設(shè)計的腋窩墊，尺寸為15×15cm。PTFE膜具有優(yōu)異的水蒸氣滲透性，可以及時將汗水蒸發(fā)的水分輸送到Co-SHM膜中完成水分吸收，這樣一來，就顯著加快了汗水的蒸發(fā)速度，有助于腋下保持干燥舒適。

基于Co-SHM的內(nèi)襯和鞋墊配置示意圖

可穿戴能量收集裝置(WEHD)工作原理示意圖

此外，該防水膜還能有效阻止已成型的液態(tài)水和含水Co-SHM薄膜發(fā)生滲漏。研究人員將腋下墊貼在T恤左腋窩處，并在周圍環(huán)境中（溫度為34攝氏度，濕度80%RH的新加坡）行走30分鐘，結(jié)果顯示，沒有使用腋下墊的T恤衫右腋下出現(xiàn)了明顯的汗水污漬，而墊了腋下墊的T恤衫左腋下卻是完全干燥的。

同樣，這種吸濕材料還可放在鞋中，作為鞋內(nèi)襯或者鞋墊，去快速吸收雙腳排出的汗液，讓鞋內(nèi)環(huán)境更加干燥，使人們更大程度地擺脫細(xì)菌或真菌感染的可能性。

為此，陳瑞深團隊提供了兩種制備策略：一種是在腋窩墊的基礎(chǔ)上，通過改變PTFE膜的形狀，將其制成鞋襯，由Co-SHM膜和PTFE膜構(gòu)成的鞋里襯具有防水性（不僅可以防止外部水分進入，而且可以阻止內(nèi)部水分泄漏），還具有透濕和吸收功能，從而抑制了細(xì)菌生長。而這種襯里還可以與其他織物或皮革粘合，從而能夠廣泛應(yīng)用于軍用鞋、運動鞋、時尚鞋等產(chǎn)品中。

除鞋襯之外，他們還采用3D打印技術(shù)制作了包含三層的鞋墊模型，中部和底部尺寸為11×4厘米，該鞋墊底層由Co-SHM薄膜和支撐物構(gòu)成；中間層為固體覆蓋層，上面有許多小孔供濕氣通過，而上層則是防止腳底與CoSHM直接接觸，提高安全性的透濕防水膜。實驗最終也證明了基于Co-SHM的內(nèi)襯和鞋墊，可以快速有效地吸收汗液蒸發(fā)中的水分。

陳瑞深指出，在實際應(yīng)用當(dāng)中，可以通過改變Co-SHM的用量，來獲得長期的吸濕效果。并且，因為鞋墊在吸收水分后會顯示明顯的顏色變化，從藍(lán)色到紫色再到粉紅色，所以，人們可以方便地判斷是否需要更換鞋墊。而在人們不穿這雙鞋時，鞋內(nèi)的里襯和鞋墊能夠幫助鞋內(nèi)保持相對較低的濕度（約63.8%），可以防止發(fā)霉。

陳瑞深

用過的鞋墊在自然光下照射20分鐘，就可以基本恢復(fù)干燥，重新加以使用，這樣一來，能夠大大提高產(chǎn)品的使用效率，并降低其成本。

研發(fā)可穿戴能量收集裝置，利用汗水發(fā)電

陳瑞表示，隨著科技的發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備，如手環(huán)等各種傳感器，在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用范圍越來越廣泛。如何給設(shè)備提供可持續(xù)性電能逐漸成為研究焦點，而這也在一定程度上成為阻礙可穿戴設(shè)備進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

因此，在利用Co-SHM實現(xiàn)高效率吸收汗水蒸發(fā)出的水分的目標(biāo)后，他們再次向前邁出了一步——研發(fā)出一種可穿戴的能量收集裝置（WEHD），可以將汗液蒸發(fā)產(chǎn)生的水分轉(zhuǎn)化為能量。

WEHD是由八個電化學(xué)電池串聯(lián)而成，并使用Co-SHM作為電解質(zhì)。在吸濕的情況下，每個EC可以提供高達(dá)0.57V的開路電壓（VOC）。WEHD收集的全部能量足以為一個發(fā)光二極管（LED）供電。

據(jù)介紹，該裝置制備過程十分簡單，而且整個器件造價非常低，可大大降低可穿戴電子設(shè)備的生產(chǎn)成本，同時充分實現(xiàn)了汗液的回收再利用。

作為此次研究的主導(dǎo)人之一，陳瑞深本人本科畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)物理學(xué)院，博士畢業(yè)于于劍橋大學(xué)電子工程學(xué)院，之后前往美國麻省理工學(xué)院進行博士后研究，后任職于新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。其主要從事大氣水收集、海水淡化、以及基于蛋白質(zhì)的太陽能電池等方面的研究。近年來，他以第一作者和通訊作者在Joule、Nat.Commun.、 Energy Environ. Sci. 等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50多篇，并獲得多項發(fā)明專利。

此后，他開始和團隊投入到空氣集水技術(shù)的研究中。他表示，吸收汗水蒸發(fā)出的水分的原理，跟從空氣中提取水分基本相似，所以此次研究相當(dāng)于把空氣集水技術(shù)做了適當(dāng)?shù)难由?，可更直接地解決當(dāng)下問題。隨著材料的不斷優(yōu)化，他們希望能與公司展開合作，共同設(shè)計功能性衣物和鞋子以及新型可穿戴電子設(shè)備。

2018年，其團隊研發(fā)出專有水凝膠材料，可將體感溫度降低7攝氏度～9攝氏度。自此以后，他們又相繼制備出超吸濕鈷絡(luò)合物薄膜Co-SHM等許多實用性材料。2019年，陳瑞深創(chuàng)辦了Ultra Dry Pte. Ltd. 公司，目的就是為了讓這些研究成果走出實驗室，變成實實在在的產(chǎn)品，從而為人們的生活帶來真正的改變。

“未來我們也將繼續(xù)堅持基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用相結(jié)合的發(fā)展思路，將研究成果轉(zhuǎn)化為真正能為人們服務(wù)的產(chǎn)品?！标惾鹕钫f道。