南京大学徐凝/朱嘉 AFM:用于高效稳定蒸发冷却的氟弹性体界面改性吸湿水凝胶

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针对上述挑战，本研究提出界面工程策略，开发了具有Janus结构的氟弹性体界面改性吸湿水凝胶（FAHH）。上层为负载LiCl的亲水性聚丙烯酰胺网络，负责吸湿与蒸发散热；下层为超薄氟弹性体界面层。氟弹性体层含氟化烷基、烷氧基、氟化阴离子和氮阳离子等多种官能团，可通过静电、离子-偶极、氢键及阳离子-π相互作用与各类基底形成强粘附，使吸湿水凝胶在脱附时纵向收缩而非弯曲脱离，保持良好热接触。同时其疏水性和电负性可有效排斥水分子和氯离子，防止盐溶液泄漏腐蚀。

2026年3月18日，相关研究以An Immunocompatible Conductive Hydrogel Via Anion-π Interlocking as an Injectable Bridge for Sustained Bioelectronic Interfacing 为题发表在《Advanced Materials》上。

图1 用于电子设备冷却的氟弹性体界面改性吸湿水凝胶（FAHH）的示意图。（a）左侧为 FAHH 与基底之间强粘附性的示意图。右侧为 FAHH 的化学组成。（b）FAHH具有耐腐蚀性的示意图，氟弹性体界面的疏水性和电负性排斥氯离子并防止水和盐的泄漏。（c）FAHH用于电子设备冷却的工作原理。在吸附期间，FAHH从周围大气中捕获水分。当设备在较重负载下温度升高，FAHH受热解吸，从而散热。

FAHH的制备采用三步法：在冻干聚丙烯酰胺凝胶（PAM）表面涂覆氟弹性体前驱体，原位聚合后负载LiCl。扫描电镜显示，聚丙烯酰胺具有多孔结构，氟弹性体界面厚度约260μm，致密且与聚丙烯酰胺层形成机械互锁。元素分析证实氯离子被限制在上层，未进入氟弹性体。吸脱附测试表明，在40%、60%、80%相对湿度下，FAHH吸附量分别为1.5、2.0、3.5 g g⁻¹，与传统PAM吸湿凝胶（AHH）相当，说明超薄氟弹性体界面不影响上层PAM吸湿性能。

图2 FAHH的材料表征。（a）FAHH的合成过程。（b）FAHH的照片。比例尺：1 cm。为便于观察，氟弹性体层用罗丹明B染色。（c）负载LiCl前FAHH横截面的SEM图像。氟弹性体界面厚度约为260 µm。比例尺：200 µm。（d）负载LiCl后FAHH横截面的SEM图像及EDS元素分布图。氯离子主要分布在上层PAM网络中。（e）PAM吸湿水凝胶和氟弹性体界面的FTIR光谱。（f）FAHH与AHH在不同湿度条件下的动态水蒸气吸附-解吸过程。（g）FAHH的循环吸附和解吸性能，其中吸附条件为80%相对湿度（RH）、25°C，解吸条件为80°C。

氟弹性体界面显著提升了PAM吸湿水凝胶冷却界面的稳定性。粘附性能方面，DFT计算揭示氟弹性体层不同官能团与基底的作用机制：氟化阴离子与金属（Cu、Al）静电结合能为-331.3和-239.2 kJ mol⁻¹；烷氧基与金属产生离子-偶极作用；氟化烷基和烷氧基与玻璃表面H-O-Si形成氢键；氮阳离子与PET苯环形成阳离子-π作用。180°剥离测试显示该水凝胶粘附能达52 N m⁻¹，是AHH（15 N m⁻¹）的3倍以上，1 cm²可提起100 g重物，且在反复吸脱附中保持稳定。抗腐蚀方面，Zeta电位显示氟弹性体界面呈电负性（源于C-F和C-O高极性基团），可排斥氯离子。离子渗透测试中，将FAHH和AHH分别夹于H型池中，FAHH侧水中氯离子浓度保持不变，而AHH侧浓度显著增加，证实氟弹性体有效抑制了氯离子扩散。此外，经过60天吸脱附循环测试，与FAHH接触的铝板未见腐蚀，而与AHH接触的铝板出现明显点蚀，证明了FAHH的优异耐腐蚀性。

图3 FAHH 的稳定冷却界面。（a）FAHH 与各种基底（金属、玻璃和塑料）的粘附机制示意图。（b）通过 DFT 计算得出的含氟弹性体界面的功能基团与各种基底之间的结合能。（c）通过 180°剥离试验测得的 FAHH 和 AHH 对铝板的粘附强度，表明含氟弹性体界面的引入显著增强了 PAM 吸湿水凝胶的粘附性。（d）FAHH 粘附于各种基底（铝、铜、玻璃和塑料PET）的照片，其上持续承受 100 克的重量。（e）FAHH 的耐腐蚀机制。氯离子被带负电的含氟弹性体界面排斥。（f）含氟弹性体界面以及构成含氟弹性体界面的三种均聚物（PHFBA、PDEGMA 和 P[MATAC][TFSI]）的 Zeta 电位测试，表明含氟弹性体界面的带负电性归因于 PHFBA 和 PDEGMA。（g）FAHH 和 AHH 对氯离子的渗透性。插图展示了测试装置。（h–k）与 FAHH 和 AHH 接触 60 天的循环试验（每个循环 16 小时吸附和 8 小时解吸）后铝板的数字照片和扫描电子显微镜图像。

在模拟电子器件的冷却性能测试中，将FAHH在不同湿度下吸附16 h后用于冷却模拟电子器件（恒温60°C）。水平条件下，FAHH在40%、60%、80%湿度下12 h平均温降分别为1.9、3.5、6.3°C，温度负荷比AHH高19、25、47°C·h。FAHH的平均冷却功率分别为105、171、277 W m⁻²，比AHH高62、100、208 W m⁻²。此外，FAHH在80%湿度下前5 h平均温降达11.3°C，平均功率达343.8 W m⁻²，而AHH因粘附不足2 h后冷却能力显著下降。垂直条件下对比效果更为明显，FAHH在三种湿度下平均温降为2.0、4.3、5.1°C，而AHH0.5小时后因脱落导致降温失效。

图4 FAHH的冷却性能。（a）水平放置的测试装置示意图，用于展示冷却性能。该装置由提供加热功率的柔性聚酰亚胺加热片、模拟半导体电子器件的铝板以及监测温度的热电偶组成。（b）施加相同热负荷下，FAHH和AHH在水平放置时的温度曲线。（c）施加相同热负荷下，FAHH和AHH在水平放置时的温度负荷。（d）长期冷却测试后，FAHH和AHH在水平条件下的照片。（e）施加相同温度下，FAHH和AHH在水平放置时的冷却功率曲线。（f）施加相同温度下，FAHH和AHH在水平放置时的冷却能量。（g）垂直放置的测试装置示意图，用于展示冷却性能。（h）施加相同热负荷下，FAHH和AHH在垂直放置时的温度曲线。（i）施加相同热负荷下，FAHH和AHH在垂直放置时的温度负荷。（j）垂直条件下冷却测试过程中FAHH和AHH的照片。（k）施加相同温度下，FAHH和AHH在垂直放置时的冷却功率曲线。（l）施加相同温度下，FAHH和AHH在垂直放置时的冷却能量。

将FAHH应用于实际电子器件开发板与太阳能电池的散热上。当将FAHH附着于开发板的铝散热片上重载运行时，该设备平均温降17.8°C、最大温降23.7°C，工作性能提升17.2%，而AHH平均温降11.9℃，工作性能提升9.2%。当将FAHH用于太阳电池铝背板时，8 h后电池平均温降11.6°C、最大温降17.4 °C，效率从13.2%提升至14.0%。户外测试中，与通风不良条件相比，FAHH在12 h的白天内实现最大25.7 °C、平均12.1 °C温降。相比之下，AHH实现最大10.4°C、平均3.8 °C温降。

图5 实际应用展示。（a）高负荷运行后，附着有FAHH、AHH以及空白对照（无冷却器）的开发板的照片和红外图像。（b）高负荷测试期间开发板的温度曲线。（c）高负荷测试期间开发板工作性能的总分对比。（d）1 sun下附着FAHH和AHH的太阳能电池的温度曲线。（e）1 sun下附着FAHH、AHH以及空白对照的太阳能电池在8小时测试前后的性能。（f）图（e）的局部放大图。（g）户外测试照片。四个样品：无冷却器的太阳能电池（空白对照）、安装有10 cm厚泡沫的太阳能电池、贴有FAHH的太阳能电池以及贴有AHH的太阳能电池。（h）2024年9月29日、10月2日和10月3日三天内测得的温度曲线和太阳辐照度（I_solar）。所有数据均以1分钟间隔记录。

本研究报道了一种氟弹性体界面改性吸湿水凝胶，通过界面设计同时解决了传统吸湿水凝胶粘附性差和卤盐泄漏两大问题。超薄氟弹性体界面通过多种分子间相互作用赋予水凝胶强粘附性，其疏水和电负性有效抑制氯离子泄漏，在不影响吸水能力的前提下显著提升了冷却性能和稳定性。该吸湿水凝胶在模拟和实际应用中均表现出优异冷却效果，可使开发板温度降低23.7°C、太阳电池温度降低17.4°C，相应提升工作性能和光电转换效率。本研究为电子器件被动热管理提供了可持续解决方案，该界面策略可推广应用于其他吸湿水凝胶体系。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202531131

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