在全球气候变暖背景下，极端高温事件频发，夏季高温强度和持续时间不断增加，给人体热安全、建筑能耗以及户外与极端环境作业带来了严峻挑战。从可穿戴人体防护到节能建筑与便携式装备，轻量化、低能耗、高效率的被动热管理材料已成为当前材料科学和工程领域的重要研究方向。
水因其高比热容、强红外辐射能力和绿色可再生特性，被认为是理想的热管理介质。然而，液态水在室温下具有高密度(约1.0 g·cm⁻³)和流动性强等固有特征，难以作为轻质、稳定的结构材料直接应用于被动热管理体系。这一限制使得水长期只能作为“介质”而非“材料”使用，严重制约了其在轻量化无源降温领域的潜力发挥。
针对上述问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员团队提出了“轻水材料(Lightweight Water Materials, LWM)”的新概念，即通过结构设计将水重构为一种超轻质、固态化且具备多重热管理功能的水基材料。近日，研究团队成功设计并制备出一种超轻聚(N-异丙基丙烯酰胺，PNIPAM)水凝胶，实现了水的高含量与超低密度的协同统一，并在隔热与无源降温性能方面取得突破性进展。
内容简介
针对水基材料密度高、难以结构化的核心瓶颈，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦团队提出“轻水材料(LWM)”新概念，通过结构重构将水转化为超轻、多功能固态材料。研究团队以聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶为基础，在聚合过程中引入可膨胀的中空发泡微球，构建由聚合物骨架、封闭空气腔体与水共同组成的三维复合网络。中空微球在聚合过程中膨胀并固定于网络结构中，形成大量封闭气腔，在不显著降低含水量的前提下大幅降低材料密度。所得轻水材料最低密度达到0.041 g·cm⁻³，远低于传统水凝胶，同时仍保持52.7 wt.%的水含量，实现超轻与高含水的协同统一。更重要的是，该材料并非单一功能体系，而是通过结构、光学与热传导多机制协同，实现隔热与无源降温的统一调控。
图文导读
I 设计理念：让水“轻”起来
如图1所示，该轻水材料通过在PNIPAM水凝胶网络中引入中空发泡微球，构筑了由聚合物骨架、封闭空气腔体和水共同组成的三维复合结构。中空微球在聚合过程中发生体积膨胀并被固定于网络中，形成大量封闭气腔，从而在不显著降低含水量的前提下大幅降低材料密度
本所制备轻水材料的最低密度仅为 0.041 g·cm⁻³，远低于传统水凝胶体系，同时仍保持 52.7 wt.% 的水含量(图2)，突破了水基材料“高含水必然高密度”的传统认知。
图2. 轻水材料的密度—含水量协同调控特性。
III 微观结构支撑超低密度
图3扫描电子显微镜(SEM)结果显示，轻水材料内部形成了由聚合物骨架支撑的多尺度孔结构，中空发泡微球被均匀固定于水凝胶网络之中，构建起大量封闭的空气腔体。这些封闭气腔在空间上彼此隔离，同时又通过连续的聚合物骨架相互连接，为材料提供了良好的结构稳定性。与传统水凝胶相比，轻水材料内部孔隙更加均匀、尺度分布更为合理，为后续实现低热导率、良好力学性能以及可控的蒸发行为奠定了结构基础
