随着全球对高效节能冷却技术的需求日益增长，传统水基系统因重量大、结构不稳定及高能耗等缺陷日益凸显。近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所金旺教授团队取得重大突破，成功开发出一类超轻质水材料。该材料在保留水优异热学性能的同时，有效克服了密度限制，为下一代轻量化、便携式及可持续热管理材料的发展提供了关键思路。
轻质水材料的核心价值在于其三大优势。首先是能效提升，此类材料无需高能耗的主动冷却系统即可实现被动热管理，直接解决了传统空调的能耗痛点。其次是便携与适应性，该材料在保持高含水量的同时，将密度降至创纪录的0.041 g/cm³，突破了传统水凝胶在可穿戴设备及航空航天领域的应用瓶颈。最后是可持续性，通过将水重构为固态且结构稳定的形式，使其从被动流体转变为功能性工程材料，为应对全球变暖和城市热岛效应提供了可持续的降温方案。
在创新设计方面，该水凝胶将中空发泡微球引入聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）基质中，形成密封气孔，既作为高效热屏障又维持了结构完整性。通过系统控制合成温度、微球负载量及含水量，材料密度可在0.041至0.532 g/cm³之间调节，含水量范围达52.7%至92.6%。其独特的闭孔结构抑制了对流换热，而保留的水分则提供蒸发冷却及高红外发射率，实现了多功能热调节。
该材料展现出卓越的物理与热学性能。优化后的水凝胶（LWM80-8-10）密度仅为传统水凝胶的十分之一，却仍能保持52.7%的含水量，使其在水和正己烷上漂浮超过12小时。在机械性能上，微球增强网络在80%应变下的压缩应力达164–300 kPa，比纯PNIPAM水凝胶提升两个数量级以上，且经100次压缩循环后恢复率接近80%。其热导率低至0.034–0.039 W m⁻¹ K⁻¹，与二氧化硅气凝胶相当，在热台测试中可实现超过50°C的温差。
在被动冷却性能与应用测试中，该水凝胶表现优异。在80°C的标准热板实验中，其平衡温差达47.6–51.4°C，优于商业可发性聚苯乙烯（EPS）约7°C，这得益于结构隔热与蒸发冷却的协同效应。在户外直射阳光下，材料展现出高达0.94的太阳反射率和0.84的红外发射率，实现了最高10.8°C的亚环境温度辐射冷却，且在自然对流环境下性能依然稳定。
机理分析显示，隔热贡献了总冷却性能的82.6%，蒸发冷却贡献17.4%，证实了闭孔结构结合水分辅助调温的主导作用。该合成工艺采用温和的酶兼容自由基聚合条件，已实现均匀大尺寸样品的制备，显示出强大的工业化生产潜力。未来研究将聚焦于优化特定应用的合成路线，探索替代聚合物基质，并将此轻质水材料概念拓展至储能和软体机器人等领域。
这一研究不仅实现了超轻水材料的实用化，更凸显了材料科学、热工程与可持续设计跨学科合作的重要性。对于中国行业从业者而言，这种“以水代能”的被动式热管理思路，结合国内在新能源与绿色建筑领域的庞大市场，有望为降低工业能耗及提升建筑舒适度提供极具潜力的技术路径。