基于高频交流电的凝胶直接焦耳加热技术：分子水平均匀产热新策略

本研究突破传统外加热源传导模式，提出利用10 kHz高频交流电直接激发水凝胶中均匀分布的离子产生焦耳热。通过电压调制实现功率稳定，无需修饰凝胶或添加外部热元件，即可实现快速均匀自加热（升温至60℃仅78秒），为智能凝胶器件（如电致变色、电热疗敷料）提供全新驱动方案。

　　

在生物医学和柔性电子领域，水凝胶因其独特的3D网络结构和高含水量成为明星材料，但传统加热方式存在明显瓶颈：热水浸泡需长时间热平衡，光热/磁热转换需添加纳米颗粒导致均匀性差、透明度下降。更关键的是，这些方法均依赖外部热源传导，忽视了水凝胶自身离子导电的潜力。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Materials》发表创新成果，首次提出利用高频交流电（10 kHz）直接驱动水凝胶中离子运动产生焦耳热。通过系统研究AMPS（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）基凝胶的阻抗特性，发现10 kHz频率下相位角?≈0，凝胶呈现纯电阻特性（6.41 Ω），即使施加33 V_{rms（远超水的1.23 V分解电压）也不会引发电解。温度-电阻测试显示，-25℃至65℃范围内阻抗稳定下降，据此开发线性/指数电压调制技术，将功率波动控制在2 W以内。}

关键技术包括：1）傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证凝胶化学稳定性；2）电化学工作站（Chi660E）测定阻抗谱；3）函数发生器（RIGOL DG-1022Z）生成10 kHz调制信号；4）红外热像仪（HIKVISION）实时监测温度分布。

研究结果揭示：

1. 作用机制：10 kHz交流电场驱动离子往复碰撞水分子的分子级产热，避免电极/电解质界面形成双电层（EDLC），突破分解电压限制（图1）。
2. 加热性能：33 V_rms下78秒即达60℃，功率达242 W；厚度1-3 mm、尺寸5-15 cm的样品均呈现均匀加热（图2e），冷却速率缓慢（22.4分钟降27.5℃）。
3. 应用验证：①透明凝胶层压玻璃55秒完成除霜；②含CoCl₂的电致变色凝胶14秒实现显色切换；③生理盐水凝胶（300 Ω）81秒升温至40℃，模拟电热疗敷料（图4）。

该研究开创性地将焦耳效应引入水凝胶体系，其意义在于：1）理论层面揭示高频交流电抑制电解的机制；2）技术层面建立无需修饰材料的普适性加热方法；3）应用层面为智能窗、可穿戴热疗等提供新思路。正如通讯作者Lei Shi强调，这项技术将开辟水凝胶研究的新疆域。