无电系统利用蒸发来保持物品的凉爽

骆驼在炎热的沙漠环境中进化出了一种看似违反直觉的方法，在保持凉爽的同时保持水分：它们有厚厚的隔热皮毛。应用基本上相同的方法，麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种系统，可以帮助药品或新鲜农产品等物品在炎热的环境中保持凉爽，而不需要电源。

大多数人不会想到在炎热的夏天穿骆驼毛外套，但事实上，许多沙漠居民确实倾向于穿厚重的外套，原因基本上是相同的。事实证明，骆驼大衣或人的衣服可以帮助减少水分的流失，同时允许足够的汗水蒸发来提供降温效果。研究人员说，测试表明，在相同的条件下，剃毛的骆驼比没有刮胡子的骆驼多失去50%的水分。

麻省理工学院工程师开发的新系统使用双层材料来达到类似的效果。这种材料的底层代替汗腺，由水凝胶组成，水凝胶是一种明胶状物质，主要由水组成，包含在海绵状的基质中，水可以很容易地从海绵状基质中蒸发出来。然后在上面覆盖一层气凝胶，起到毛皮的作用，在让水蒸气通过的同时阻止外部热量的进入。

水凝胶已经被用于一些降温应用，但现场测试和详细分析表明，这种不到半英寸厚的新双层材料可以提供超过7摄氏度的降温，持续时间是水凝胶的五倍--超过8天，而不到两天。

今天，麻省理工学院博士后卢正茂、研究生埃莉丝·斯特罗巴赫和陈宁欣、研究科学家尼古拉·费拉里斯以及材料科学与工程系主任杰弗里·格罗斯曼教授在《焦耳》杂志上发表了一篇论文，报告了这一发现。

研究人员说，该系统可以用于食品包装，以保持新鲜度，并为农民出售易腐烂的作物开辟更多的分销选择。它还可以使疫苗等药品在运送到偏远地区时得到安全保存。除了提供冷却，被动系统完全由热量提供动力，可以减少货物经历的温度变化，消除可能加速变质的尖峰。

费拉里斯解释说，这种包装材料可以从农场或工厂，通过分销链，一直到消费者的家中，为易腐烂的食品或药品提供持续的保护。相比之下，依赖冷藏卡车或储存设施的现有系统可能会在装卸过程中出现温度峰值的情况下留下缺口。他说：“短短几个小时内发生的事情可能对一些易腐烂的食物非常有害。”

双层系统所涉及的基本原材料并不昂贵--气凝胶是由二氧化硅制成的，而二氧化硅本质上是海滩沙，价格便宜，而且储量丰富。但制造气凝胶的加工设备庞大而昂贵，因此这方面还需要进一步的开发，以便将系统扩大到有用的应用。但至少有一家初创公司已经在致力于开发如此大规模的加工，以使用这种材料制造隔热窗户。

利用水的蒸发来提供降温效果的基本原理已经以这样或那样的形式被使用了几个世纪，包括使用双锅系统来保存食物。这些陶罐使用两个陶罐，一个在另一个里面，中间夹着一层湿沙子。水从沙子中蒸发出来，通过外锅，使内锅变得更凉爽。但是，像骆驼和其他一些沙漠动物那样，将这种蒸发冷却与绝缘层相结合的想法，以前还没有真正应用于人类设计的冷却系统。

对于食品包装等应用，水凝胶和气凝胶材料的透明度非常重要，可以通过包装清楚地看到食品的状况。但该论文的主要作者陆兆禧表示，对于制药或空间冷却等其他应用，可以使用不透明的绝缘层，这为特定用途的材料设计提供了更多选择。

这种水凝胶材料由97%的水组成，这些水会逐渐蒸发。在实验装置中，覆盖着5毫米气凝胶的5毫米水凝胶需要200小时才能失去所有水分，而裸露的水凝胶需要40小时。这种双层材料的冷却程度略低，比8摄氏度(14.4华氏度)降低了7摄氏度(约12.6华氏度)，但效果要持久得多。一旦水凝胶中的水分消失，材料就可以重新注入水，这样循环就可以重新开始。

陆说，特别是在发展中国家，那里的电力供应往往有限，这种材料可能会带来巨大的好处。他说：“因为这种被动冷却方式完全不依赖电力，这给你提供了一个很好的储存和分销易腐烂产品的途径。”