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）第一季當中出現(xiàn)過這樣的一幕：實驗物理學家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致健康問題，如水泡、老繭、真菌感染也就是常說的腳氣等。”新加坡國立大學材料科學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導的團隊成功制備出一種具有超強親濕性能的鈷絡合物薄膜（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Ａ硪环矫?，還可以用其組裝成可穿戴設備的能源器件，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，標題為《超吸濕膜用于可穿戴設備，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差、吸水量少以及散裝固體結(jié)構等問題，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)了鈷絡合物基超吸濕材料（Co-SHM）。

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）SHM薄膜，具有顯著增強的吸濕性能。

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)合形成絡合物。而乙醇胺是一種廣泛使用的與金屬鹽形成絡合物的配體，同樣具有吸濕性。因此，通過合理設計，利用這兩種原材料制備出新材料Co-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?？?，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上，通過改變PTFE膜的形狀，將其制成鞋襯，由Co-SHM膜和PTFE膜構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

陳瑞深指出，在實際應用當中，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。

用過的鞋墊在自然光下照射20分鐘，就可以基本恢復干燥，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，可穿戴電子設備，如手環(huán)等各種傳感器，在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽梅秶絹碓綇V泛。如何給設備提供可持續(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備進一步發(fā)展的關鍵因素之一。

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人之一，陳瑞深本人本科畢業(yè)于新加坡國立大學物理學院，博士畢業(yè)于劍橋大學電子工程學院，之后前往美國麻省理工學院進行博士后研究，后任職于新加坡國立大學材料科學與工程學院。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.等學術期刊上發(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，所以此次研究相當于把空氣集水技術做了適當?shù)难由?，可更直接地解決當下問題。隨著材料的不斷優(yōu)化，他們希望能與公司展開合作，共同設計功能性衣物和鞋子以及新型可穿戴電子設備。

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)堅持基礎研究與實際應用相結(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的產(chǎn)品?！标惾鹕钫f道。（摘自美《深科技》） （編輯/諾伊克）