中科院苏州纳米所王锦团队：“轻水材料”新概念，让水成为超轻隔热与无源降温功能材料

Ultra-Light Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogels: Light Weight Water Materials for Passive Thermal Management via Insulation and Cooling

Xueyan Hu, Siyuan Dou, Yiming Liu, Yaru Li, Caixia Yu, Jin Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 225

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02057-9

本文亮点

1. 概念创新：提出并定义“轻水材料(Lightweight Water Materials, LWM)”：通过结构设计将水重构为一种可工程化的超轻质固态材料，使水从“热管理介质”转变为“功能结构材料”，突破传统水基材料密度限制。

2. 超轻+高含水协同统一：通过在聚(N-异丙基丙烯酰胺，PNIPAM)水凝胶中引入中空发泡微球，构筑封闭空气腔体，实现最低密度0.041 g·cm⁻3，同时仍保持52.7 wt.%的水含量，打破“高含水必然高密度”的传统认知。

3. 隔热与无源降温协同调控：材料兼具低热导率(0.034–0.039 W·m⁻1·K⁻1)、高太阳反射率(0.94)和高红外发射率(0.84)，在自然太阳辐照条件下实现最高10.8 ℃低于环境温度的降温效果。

研究背景

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。

图1. 轻水材料(LWM)的设计思路、制备过程及超轻特性展示。

II 低密度表征

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。

图3. 轻水材料的微观结构表征及封闭空气腔体的形成。

IV 力学稳定及蒸发速率调控

(图4)在具备超轻结构的同时，轻水材料仍需满足实际应用对力学稳定性和水分保持能力的要求。研究团队对材料的力学性能进行了系统测试，结果表明，轻水材料在压缩变形过程中表现出良好的弹性回复能力，多次加载—卸载循环后结构仍能保持完整，显示出较好的耐疲劳特性。同时，由于中空微球形成的封闭空气结构有效抑制热传导，其热导率低至 0.034–0.039 W·m⁻1·K⁻1。

此外，研究团队进一步研究了轻水材料的蒸发行为。实验结果表明，受限于多孔结构中水分子与聚合物网络之间的相互作用，轻水材料的蒸发速率得到有效调控，在保持蒸发冷却能力的同时避免了水分的快速流失。这种“可控蒸发”特性使材料能够在较长时间尺度内持续发挥冷却作用。

图4. 轻水材料的力学性能及蒸发冷却行为表征。

V 隔热机制：封闭空气抑制热传导

图5，研究团队通过恒温热台实验系统评估了轻水材料的隔热性能。将轻水材料样品置于 80 ℃ 的热源表面，并对其上表面温度进行实时监测。结果显示，轻水材料能够有效阻隔热量向上表面的传递，其表面温度可比热源低 50 ℃以上，表现出显著的稳态隔热效果。红外热成像结果进一步直观验证了这一性能优势：与对照样品相比，轻水材料表面始终保持较低温度，且温度分布均匀。这一结果表明，由中空发泡微球构建的封闭空气结构在抑制热传导过程中发挥了关键作用。

图5. 轻水材料在恒温热台条件下的隔热性能及红外热成像结果。

VI 无源降温：光谱调控+蒸发协同

中空微球赋予材料强烈的太阳光反射与散射能力，使其在0.3–1.8 μm波段的平均太阳反射率高达 0.94；同时，水分子与PNIPAM网络在中红外波段具有强吸收特性，使材料在8–13 μm大气窗口内的红外发射率达到 0.84。在太阳反射、红外辐射与蒸发冷却的协同作用下，轻水材料在户外实测条件下实现了最高 10.8 ℃ 的低于环境温度降温效果。

轻水材料表现出更低的稳态温度，且降温过程更加平稳，表明其降温性能并非依赖瞬时蒸发，而是由材料的光谱调控特性、隔热结构以及蒸发过程协同作用所共同决定。这些结果充分验证了轻水材料在户外被动热管理场景中的应用潜力。

图6. 轻水材料在自然太阳辐照条件下的无源降温性能。

VII 总结

本研究提出“轻水材料(LWM)”概念，通过结构设计实现水的固态化、超轻化与多功能化，成功突破“高含水=高密度”的传统限制。材料通过封闭空气腔体结构实现低热导率隔热性能；通过高太阳反射率、高红外发射率与可控蒸发协同，实现稳定无源降温效果。在自然太阳辐照条件下可实现最高10.8 ℃的降温性能。

这一工作不仅在性能层面实现了超轻、高含水与多重热管理功能的统一，更在概念层面重新定义了水在材料体系中的角色——从被动介质转变为可工程化设计的功能材料。轻水材料在可穿戴降温、防护装备、节能建筑围护结构及极端环境热防护等领域具有广阔应用前景，为新一代轻量化被动热管理材料提供了重要方向。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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