青年学者发明超吸湿钴络合物薄膜，吸汗发电两不误｜专访

在美国情景喜剧《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）第一季当中出现过这样的一幕：实验物理学家 Leonard 第一次与美女邻居 Penny 外出约会，出门前却因过度紧张而导致恐慌症发作，不停淌下的汗水把衬衫打湿，显得十分滑稽。当他站在舍友 Sheldon 面前询问自己 “看起来如何时”，低情商的 Sheldon 直言 ——“你腋下的汗渍不要过于明显！”

这种因汗渍引发尴尬的情景在生活中也并不少见，尤其是在闷热的三伏天或是大量运动之后。据统计，在炎热天气下，普通人运动 30 分钟，排汗量就可达到 3 升 / 小时，而专业运动员跑完一场马拉松，出汗量可能达到 3.4 至 6 升；有参赛者曾在夏威夷铁人世界冠军赛过程中累计排出了 15 升的汗水。

运动时的大汗淋漓确实让人感到畅快，可是一旦当汗液的蒸发速度低于分泌速度，汗液就会大量堆积，像 Leonard 一样在腋下等敏感位置形成明显汗渍让人窘迫不堪；而且贴身衣物、鞋袜也都会变湿漉漉的，紧紧粘在皮肤上，不仅会让人产生身体上的不适，而且还会给身体带来潜在危害。

“腋下出汗后会形成高湿的小环境，进而促进细菌的生长，产生令人不快的体味。同样，汗水在鞋子里的积累也可能会导致健康问题，如水泡、老茧、真菌感染也就是常说的脚气等。” 新加坡国立大学材料科学与工程系的助理教授陈瑞深（Tan Swee Ching）表示。

那么，有没有一款产品可以做到大量且快速地吸收汗水蒸发出的水分，防止汗水堆积，让人们真正能兼得 “鱼与熊掌”，实现运动也凉爽呢？

历时半年多，陈瑞深与该校丁军教授领导的团队成功制备出一种具有超强亲湿性能的钴络合物薄膜（Co-SHM），并将这种薄膜包裹在防水透气的聚四氟乙烯膜（PTFE）中组装成一款吸湿产品。

图 | 基于 Co-SHM 设计的鞋内衬和鞋垫

该产品一方面可以作为腋窝垫、鞋内衬和鞋垫，快速吸收汗水蒸发出的水分，防止汗水堆积，为人们提供干燥的 “小气候”。同时，还可加速汗液蒸发，降低皮肤表面温度，使人们感到凉爽。另一方面，还可以用其组装成可穿戴设备的能源器件，利用吸收汗水蒸发出的水分来发电。

图 | 相关论文 （来源：Nano Energy）

该研究成果于 2020 年发表在《纳米能源》（Nano Energy）杂志，标题为《超吸湿膜用于可穿戴设备，具有加速汗液蒸发和能量收集的双重功能》（Super-hygroscopic film for wearables with dual functions of expediting sweat evaporation and energy harvesting）。团队其他成员包括张雪萍博士、杨佳辰、Ramadan Borayek。

图 | 第一排：陈瑞深 (左)，丁军（右）；第二排：杨佳辰（左），张雪萍（中），Ramadan Borayek（右）

新吸湿膜的吸水量是传统材料的 15 倍

沸石和硅胶等传统吸湿材料，由于存在吸湿动力学差、吸水量少以及散装固体结构等问题，很难用于汗水吸收装置。

为突破传统材料的局限，陈瑞深团队研究了不同过渡金属盐的吸湿行为，并最终选择将 CoCl2 和乙醇胺进行结合，从而开发了钴络合物基超吸湿材料（Co-SHM）。

其中，氯化钴是一种比较典型的吸湿性金属盐，这种钴离子也容易与配体结合形成络合物。而乙醇胺是一种广泛使用的与金属盐形成络合物的配体，同样具有吸湿性。因此，通过合理设计，利用这两种原材料制备出新材料 Co-SHM 薄膜，具有显著增强的吸湿性能。

在实验过程中，该团队发现在室温为 24.5ºC、相对湿度为 71% RH 的条件下，水蒸气在碰到 Co-SHM 薄膜后很快就被 “捕获”。15 分钟后，Co-SHM 薄膜表面就可以观察到明显的小液滴，随后液滴逐步变大、并在 30 分钟后聚集成更大的液滴。

随着时间不断增加，Co-SHM 薄膜变得完全润湿，并在 24 小时后形成连续性水膜。有趣的是，在水蒸气的吸收过程中，可观察到薄膜发生的明显色变 —— 逐渐从蓝色变为紫色，最后变为粉红色，这说明 Co-SHM 薄膜还可作为水分吸收程度的指示器。

图 | 水蒸气吸收 / 解吸过程示意图 （来源：Nano Energy）

“与日常生活中常用的硅胶、分子筛等吸湿产品相比，我们制备的材料吸湿能力显著增强，饱和吸水量大约是他们的 15 倍，而且吸收速率非常快，约是硅胶等的 6 倍，” 陈瑞深介绍道。

除了吸湿能力显著增强外，Co-SHM 在太阳光照射或者加热到 60℃即可释放吸收的水分，实现材料的再生利用，与其他吸湿性材料相比，Co-SHM 无疑具有更高的能源效率。并且，Co-SHM 在超过 100 个吸收 / 解吸循环后依然保持出色的稳定性和耐久性，每个循环后只有约 2％的水分无法完全解吸。

陈瑞深告诉 DeepTech，与其他吸湿材料相比，Co-SHM 薄膜制备简单、再生容易，多次重复利用后性能基本保持不变，可大大简化产品制备过程，并能降低生产成本。这些优势使其成为水蒸气吸收剂中最有前景的候选材料之一。

利用 Co-SHM 制备出功能化可穿戴设备，加速汗液蒸发

因此，他们将 Co-SHM 薄膜与透气防水的 PTFE 膜进行组装，进而设计并制作了材质柔软的腋窝垫、鞋衬里、鞋内底等功能化可穿戴产品。

其中，基于 Co-SHM 设计的腋窝垫，尺寸为 15×15cm。PTFE 膜具有优异的水蒸气渗透性，可以及时将汗水蒸发的水分输送到 Co-SHM 膜中完成水分吸收，这样一来，就显著加快了汗水的蒸发速度，有助于腋下保持干燥舒适。

此外，该防水膜还能有效阻止已成型的液态水和含水 Co-SHM 薄膜发生渗漏。研究人员将腋下垫贴在 T 恤左腋窝处，并在周围环境中（温度为 34ºC，湿度 80% RH 的新加坡）行走 30 分钟，结果显示，没有使用腋下垫的 T 恤衫右腋下出现了明显的汗水污渍，而垫了腋下垫的 T 恤衫左腋下却是完全干燥的。

图 | 腋窝垫的配置示意图 （来源：Nano Energy）

同样，这种吸湿材料还可放在鞋中，作为鞋内衬或者鞋垫，去快速吸收双脚排出的汗液，让鞋内环境更加干燥，使人们更大程度地摆脱细菌或真菌感染的可能性。

为此，陈瑞深团队提供了两种制备策略：一种是在腋窝垫的基础上，通过改变 PTFE 膜的形状，将其制成鞋衬，由 Co-SHM 膜和 PTFE 膜构成的鞋里衬具有防水性（不仅可以防止外部水分进入，而且可以阻止内部水分泄漏），还具有透湿和吸收功能，从而抑制了细菌生长。而这种衬里还可以与其他织物或皮革粘合，从而能够广泛应用于军用鞋、运动鞋、时尚鞋等产品中。

除鞋衬之外，他们还采用 3D 打印技术制作了包含三层的鞋垫模型，中部和底部尺寸为 11×4 厘米，该鞋垫底层由 Co-SHM 薄膜和支撑物构成；中间层为固体覆盖层，上面有许多小孔供湿气通过，而上层则是防止脚底与 CoSHM 直接接触，提高安全性的透湿防水膜。实验最终也证明了基于 Co-SHM 的内衬和鞋垫，可以快速有效地吸收汗液蒸发中的水分。

图 | 基于 Co-SHM 的内衬和鞋垫配置示意图 （来源：Nano Energy）

陈瑞深指出，在实际应用当中，可以通过改变 Co-SHM 的用量，来获得长期的吸湿效果。并且，因为鞋垫在吸收水分后会显示明显的颜色变化，从蓝色到紫色再到粉红色，所以，人们可以方便地判断是否需要更换鞋垫。而在人们不穿这双鞋时，鞋内的里衬和鞋垫能够帮助鞋内保持相对较低的湿度（约 63.8％），可以防止发霉。

用过的鞋垫在自然光下照射 20 分钟，就可以基本恢复干燥，重新加以使用，这样一来，能够大大提高产品的使用效率，并降低其成本。

研发可穿戴能量收集装置，利用汗水发电

陈瑞深告诉 DeepTech，随着科技的发展，可穿戴电子设备，如手环等各种传感器，在人们日常生活中的应用范围越来越广泛。如何给设备提供可持续性电能逐渐成为研究焦点，而这也在一定程度上成为阻碍可穿戴设备进一步发展的关键因素之一。

因此，在利用 Co-SHM 实现高效率吸收汗水蒸发出的水分的目标后，他们再次向前迈出了一步 —— 研发出一种可穿戴的能量收集装置（WEHD），可以将汗液蒸发产生的水分转化为能量。

WEHD 是由八个电化学电池串联而成，并使用 Co-SHM 作为电解质。在吸湿的情况下，每个 EC 可以提供高达 0.57V 的开路电压（VOC）。WEHD 收集的全部能量足以为一个发光二极管（LED）供电。

图 | 可穿戴能量收集装置 (WEHD) 工作原理示意图（来源：Nano Energy）

据介绍，该装置制备过程十分简单，而且整个器件造价非常低，可大大降低可穿戴电子设备的生产成本，同时充分实现了汗液的回收再利用。

作为此次研究的主导人之一，陈瑞深本人本科毕业于新加坡国立大学物理学院，博士毕业于于剑桥大学电子工程学院，之后前往美国麻省理工学院进行博士后研究，后任职于新加坡国立大学材料科学与工程学院。其主要从事大气水收集、海水淡化、以及基于蛋白质的太阳能电池等方面的研究。近年来，他以第一作者和通讯作者在 Joule、Nat. Commun.、 Energy Environ. Sci. 等学术期刊上发表论文 50 多篇，并获得多项发明专利。

此后，他开始和团队投入到空气集水技术的研究中。他表示，吸收汗水蒸发出的水分的原理，跟从空气中提取水分基本相似，所以此次研究相当于把空气集水技术做了适当的延伸，可更直接地解决当下问题。随着材料的不断优化，他们希望能与公司展开合作，共同设计功能性衣物和鞋子以及新型可穿戴电子设备。

2018 年，其团队研发出专有水凝胶材料，可将体感温度降低 7-9℃。自此以后，他们又相继制备出超吸湿钴络合物薄膜 Co-SHM 等许多实用性材料。2019 年，陈瑞深创办了 Ultra Dry Pte. Ltd. 公司，目的就是为了让这些研究成果走出实验室，变成实实在在的产品，从而为人们的生活带来真正的改变。

“未来我们也将继续坚持基础研究与实际应用相结合的发展思路，将研究成果转化为真正能为人们服务的产品。” 陈瑞深说道。