热电器件增强水凝胶蒸发：极端高温下的可穿戴个人冷却技术突破

为应对极端高温（湿球温度WBT>35℃）下传统水凝胶蒸发冷却效能不足的问题，研究人员开发了一种集成热电装置（TED）与水凝胶的混合冷却系统。该装置通过TED主动提升水凝胶温度以增强蒸发效率，同时维持皮肤舒适温度（33-36℃），在55℃高温和88%湿度环境下可持续工作6小时以上，为高温作业人员和个人热管理提供了可调控、可持续的解决方案。

　　

随着全球气候变暖和城市热岛效应加剧，极端高温事件正日益频繁地威胁人类健康。当环境湿球温度（WBT）超过35℃时，人体通过汗液蒸发散热的自然机制失效，即使健康个体在遮阴处休息并充足饮水也难以存活。传统水凝胶蒸发冷却材料因表面温度较低（约33℃），在高温高湿条件下蒸发效率受限，无法满足极端环境下的散热需求。

为突破这一技术瓶颈，加州大学圣地亚哥分校的裴宇、冯天时等研究人员在《Cell Reports Physical Science》发表了创新性研究，通过将热电装置（Thermoelectric Devices, TED）与水凝胶复合，开发出具有主动温度调控能力的可穿戴冷却服装。该研究利用TED的帕尔贴效应实现双重功能：一方面从皮肤泵送热量维持体表舒适温度，另一方面主动提升水凝胶温度至50℃以上，显著增强蒸发冷却效率。

研究采用多学科交叉技术方法：通过COMSOL Multiphysics软件建立热-电-流体耦合模型，模拟TED-水凝胶系统的温度分布和冷却功率；设计柔性TED阵列（2.3×2.3 cm，36根热电柱）与聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶集成结构；在环境舱内测试40-55℃温度范围和30-88%湿度条件下的性能；使用红外热像仪监测温度分布，并通过质量损失测量量化蒸发速率。

单器件冷却性能验证

实验显示，在WBT≈38℃的极端条件下（对应DBT=50℃/RH=40%或DBT=40℃/RH=88%），单纯水凝胶冷却时皮肤界面温度达37.5℃，超出舒适范围（33.8-35.8℃）。而TED-水凝胶器件在0.6V工作电压下，可将皮肤温度稳定控制在31℃以下。通过调节TED电压（0.1-1V），可实现60-300 W/m²的冷却功率调节范围，覆盖人体静息至高强度运动的代谢产热（50-150 W/m²）。

服装级系统集成

研究人员进一步开发了4×4 TED阵列的柔性冷却服装，总重530g（含16个5mm厚水凝胶片和59.2Wh电池）。在50℃环境温度、30-35%RH条件下，该系统可持续维持皮肤温度低于35℃达6小时。水凝胶质量损失实验显示蒸发速率达1.6853×10^-4 kg/s·m²，与理论计算值高度吻合。较薄的水凝胶（3mm）虽减轻重量（总重256g），但持续时间缩短至4小时。

智能温控适配

集成温度控制器的系统展现出卓越的环境适应性。当环境温度从40℃骤升至45℃时，控制器通过自动提升TED工作电压（增加热泵功率），使水凝胶表面温度从47.5℃升至52.3℃，从而增强蒸发散热量，维持皮肤温度稳定在34℃设定值。这种动态调节机制确保了在不同环境条件和活动强度下的热舒适性。

性能对比优势

与单独使用TED（强制风冷散热）或水凝胶相比，混合系统在极端条件下展现出显著优势：在55℃环境温度（WBT=40℃）下，TED-水凝胶系统提供338 W/m²净冷却功率，而单纯水凝胶则为-284 W/m²（表示环境热增益大于蒸发冷却）。这种协同效应源于TED和水凝胶的功能互补——TED提供主动冷却并提升蒸发温度，水凝胶则提供高效相变散热界面。

该研究首次实现了TED与水凝胶的效能协同放大，解决了极端高温环境下个人冷却技术的关键难题。系统采用模块化设计，水凝胶可通过复水再生重复使用，TED采用高ZT值（0.71）的Bi₂Te₃基材料，若采用ZT>1.0的新型热电材料还可进一步提升性能20%以上。研究团队估算规模化生产成本可控制在20美元/件以内，为高温作业人员、老年群体和缺乏空调设施人群提供了经济有效的热保护方案。这项技术不仅对缓解热应激相关疾病和死亡率具有重要临床意义，也为应对气候变化带来的极端高温挑战提供了创新性的技术路径。