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  現代電子器件的小型化和高密度集成導致過熱問題日益嚴重，亟需高效的熱管理方案。利用大氣吸濕水凝膠捕獲空氣中水分并用于蒸發散熱，是一種有前景的被動冷卻方法。然而，傳統吸濕水凝膠面臨基底粘附性差導致界面熱阻升高，以及鹵鹽泄漏引發設備腐蝕兩大挑戰。本文報道一種氟彈性體界面改性的吸濕水凝膠，以解決上述問題。該水凝膠通過多種分子間相互作用與基底形成強粘附，確保穩定熱接觸；其疏水且電負性的界面能有效抑制鹵化物泄漏，防止設備腐蝕。實驗表明，該水凝膠在60°C下5小時內可實現11.3°C的平均溫降，平均冷卻功率為343.8 W m^-2。實際應用中，可使開發板溫度降低23.7°C（性能提升17.2%），使太陽電池溫度降低17.4°C（效率提升0.8%）。這項工作為電子設備的被動冷卻提供了新思路。

  針對上述挑戰，本研究提出界面工程策略，開發了具有Janus結構的氟彈性體界面改性吸濕水凝膠（FAHH）。上層為負載LiCl的親水性聚丙烯酰胺網絡，負責吸濕與蒸發散熱；下層為超薄氟彈性體界面層。氟彈性體層含氟化烷基、烷氧基、氟化陰離子和氮陽離子等多種官能團，可通過靜電、離子-偶極、氫鍵及陽離子-π相互作用與各類基底形成強粘附，使吸濕水凝膠在脫附時縱向收縮而非彎曲脫離，保持良好熱接觸。同時其疏水性和電負性可有效排斥水分子和氯離子，防止鹽溶液泄漏腐蝕。

  2026年3月18日，相關研究以An Immunocompatible Conductive Hydrogel Via Anion-π Interlocking as an Injectable Bridge for Sustained Bioelectronic Interfacing 為題發表在《Advanced Materials》上。

圖1 用于電子設備冷卻的氟彈性體界面改性吸濕水凝膠（FAHH）的示意圖。（a）左側為 FAHH 與基底之間強粘附性的示意圖。右側為 FAHH 的化學組成。（b）FAHH具有耐腐蝕性的示意圖，氟彈性體界面的疏水性和電負性排斥氯離子并防止水和鹽的泄漏。（c）FAHH用于電子設備冷卻的工作原理。在吸附期間，FAHH從周圍大氣中捕獲水分。當設備在較重負載下溫度升高，FAHH受熱解吸，從而散熱。

  FAHH的制備采用三步法：在凍干聚丙烯酰胺凝膠（PAM）表面涂覆氟彈性體前驅體，原位聚合后負載LiCl。掃描電鏡顯示，聚丙烯酰胺具有多孔結構，氟彈性體界面厚度約260μm，致密且與聚丙烯酰胺層形成機械互鎖。元素分析證實氯離子被限制在上層，未進入氟彈性體。吸脫附測試表明，在40%、60%、80%相對濕度下，FAHH吸附量分別為1.5、2.0、3.5 g g^-1，與傳統PAM吸濕凝膠（AHH）相當，說明超薄氟彈性體界面不影響上層PAM吸濕性能。

圖2 FAHH的材料表征。（a）FAHH的合成過程。（b）FAHH的照片。比例尺：1 cm。為便于觀察，氟彈性體層用羅丹明B染色。（c）負載LiCl前FAHH橫截面的SEM圖像。氟彈性體界面厚度約為260 μm。比例尺：200 μm。（d）負載LiCl后FAHH橫截面的SEM圖像及EDS元素分布圖。氯離子主要分布在上層PAM網絡中。（e）PAM吸濕水凝膠和氟彈性體界面的FTIR光譜。（f）FAHH與AHH在不同濕度條件下的動態水蒸氣吸附-解吸過程。（g）FAHH的循環吸附和解吸性能，其中吸附條件為80%相對濕度（RH）、25°C，解吸條件為80°C。

  氟彈性體界面顯著提升了PAM吸濕水凝膠冷卻界面的穩定性。粘附性能方面，DFT計算揭示氟彈性體層不同官能團與基底的作用機制：氟化陰離子與金屬（Cu、Al）靜電結合能為-331.3和-239.2 kJ mol^-1；烷氧基與金屬產生離子-偶極作用；氟化烷基和烷氧基與玻璃表面H-O-Si形成氫鍵；氮陽離子與PET苯環形成陽離子-π作用。180°剝離測試顯示該水凝膠粘附能達52 N m^-1，是AHH（15 N m^-1）的3倍以上，1 cm²可提起100 g重物，且在反復吸脫附中保持穩定。抗腐蝕方面，Zeta電位顯示氟彈性體界面呈電負性（源于C-F和C-O高極性基團），可排斥氯離子。離子滲透測試中，將FAHH和AHH分別夾于H型池中，FAHH側水中氯離子濃度保持不變，而AHH側濃度顯著增加，證實氟彈性體有效抑制了氯離子擴散。此外，經過60天吸脫附循環測試，與FAHH接觸的鋁板未見腐蝕，而與AHH接觸的鋁板出現明顯點蝕，證明了FAHH的優異耐腐蝕性。

圖3 FAHH 的穩定冷卻界面。（a）FAHH 與各種基底（金屬、玻璃和塑料）的粘附機制示意圖。（b）通過 DFT 計算得出的含氟彈性體界面的功能基團與各種基底之間的結合能。（c）通過 180°剝離試驗測得的 FAHH 和 AHH 對鋁板的粘附強度，表明含氟彈性體界面的引入顯著增強了 PAM 吸濕水凝膠的粘附性。（d）FAHH 粘附于各種基底（鋁、銅、玻璃和塑料PET）的照片，其上持續承受 100 克的重量。（e）FAHH 的耐腐蝕機制。氯離子被帶負電的含氟彈性體界面排斥。（f）含氟彈性體界面以及構成含氟彈性體界面的三種均聚物（PHFBA、PDEGMA 和 P[MATAC][TFSI]）的 Zeta 電位測試，表明含氟彈性體界面的帶負電性歸因于 PHFBA 和 PDEGMA。（g）FAHH 和 AHH 對氯離子的滲透性。插圖展示了測試裝置。（h–k）與 FAHH 和 AHH 接觸 60 天的循環試驗（每個循環 16 小時吸附和 8 小時解吸）后鋁板的數字照片和掃描電子顯微鏡圖像。

  在模擬電子器件的冷卻性能測試中，將FAHH在不同濕度下吸附16 h后用于冷卻模擬電子器件（恒溫60°C）。水平條件下，FAHH在40%、60%、80%濕度下12 h平均溫降分別為1.9、3.5、6.3°C，溫度負荷比AHH高19、25、47°C·h。FAHH的平均冷卻功率分別為105、171、277 W m^-2，比AHH高62、100、208 W m^-2。此外，FAHH在80%濕度下前5 h平均溫降達11.3°C，平均功率達343.8 W m^-2，而AHH因粘附不足2 h后冷卻能力顯著下降。垂直條件下對比效果更為明顯，FAHH在三種濕度下平均溫降為2.0、4.3、5.1°C，而AHH0.5小時后因脫落導致降溫失效。

圖4 FAHH的冷卻性能。（a）水平放置的測試裝置示意圖，用于展示冷卻性能。該裝置由提供加熱功率的柔性聚酰亞胺加熱片、模擬半導體電子器件的鋁板以及監測溫度的熱電偶組成。（b）施加相同熱負荷下，FAHH和AHH在水平放置時的溫度曲線。（c）施加相同熱負荷下，FAHH和AHH在水平放置時的溫度負荷。（d）長期冷卻測試后，FAHH和AHH在水平條件下的照片。（e）施加相同溫度下，FAHH和AHH在水平放置時的冷卻功率曲線。（f）施加相同溫度下，FAHH和AHH在水平放置時的冷卻能量。（g）垂直放置的測試裝置示意圖，用于展示冷卻性能。（h）施加相同熱負荷下，FAHH和AHH在垂直放置時的溫度曲線。（i）施加相同熱負荷下，FAHH和AHH在垂直放置時的溫度負荷。（j）垂直條件下冷卻測試過程中FAHH和AHH的照片。（k）施加相同溫度下，FAHH和AHH在垂直放置時的冷卻功率曲線。（l）施加相同溫度下，FAHH和AHH在垂直放置時的冷卻能量。

  將FAHH應用于實際電子器件開發板與太陽能電池的散熱上。當將FAHH附著于開發板的鋁散熱片上重載運行時，該設備平均溫降17.8°C、最大溫降23.7°C，工作性能提升17.2%，而AHH平均溫降11.9℃，工作性能提升9.2%。當將FAHH用于太陽電池鋁背板時，8 h后電池平均溫降11.6°C、最大溫降17.4 °C，效率從13.2%提升至14.0%。戶外測試中，與通風不良條件相比，FAHH在12 h的白天內實現最大25.7 °C、平均12.1 °C溫降。相比之下，AHH實現最大10.4°C、平均3.8 °C溫降。

圖5 實際應用展示。（a）高負荷運行后，附著有FAHH、AHH以及空白對照（無冷卻器）的開發板的照片和紅外圖像。（b）高負荷測試期間開發板的溫度曲線。（c）高負荷測試期間開發板工作性能的總分對比。（d）1 sun下附著FAHH和AHH的太陽能電池的溫度曲線。（e）1 sun下附著FAHH、AHH以及空白對照的太陽能電池在8小時測試前后的性能。（f）圖（e）的局部放大圖。（g）戶外測試照片。四個樣品：無冷卻器的太陽能電池（空白對照）、安裝有10 cm厚泡沫的太陽能電池、貼有FAHH的太陽能電池以及貼有AHH的太陽能電池。（h）2024年9月29日、10月2日和10月3日三天內測得的溫度曲線和太陽輻照度（I_solar）。所有數據均以1分鐘間隔記錄。

  本研究報道了一種氟彈性體界面改性吸濕水凝膠，通過界面設計同時解決了傳統吸濕水凝膠粘附性差和鹵鹽泄漏兩大問題。超薄氟彈性體界面通過多種分子間相互作用賦予水凝膠強粘附性，其疏水和電負性有效抑制氯離子泄漏，在不影響吸水能力的前提下顯著提升了冷卻性能和穩定性。該吸濕水凝膠在模擬和實際應用中均表現出優異冷卻效果，可使開發板溫度降低23.7°C、太陽電池溫度降低17.4°C，相應提升工作性能和光電轉換效率。本研究為電子器件被動熱管理提供了可持續解決方案，該界面策略可推廣應用于其他吸濕水凝膠體系。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202531131