斯坦福大学的研究人员已经研制出一种先进的凝胶，该凝胶在受热时会形成一层耐用的气凝胶屏障，从而保护建筑物免受野火的侵袭，即使水分蒸发后也能提供持久的防护。

随着气候变化导致气温升高和气候干燥，火灾季节越来越长，野火规模越来越大，频率也越来越高。近年来，这些灾难性事件摧毁了社区，破坏了房屋和基础设施，夺走了人们的生命，并对生计造成了破坏。野火也对荒野资源和经济造成了严重影响。为了应对这一日益增长的威胁，我们需要创新的解决方案来扑灭野火，并保护脆弱地区免受进一步破坏。

斯坦福大学的研究人员开发了一种水增强凝胶，可以喷洒在房屋和重要基础设施上，以防止其在野火中燃烧。这项研究于 8 月 21 日发表在《先进材料》上，研究表明，这种新型凝胶的持续时间更长，效果也明显优于现有的商用凝胶。

工程学院材料科学与工程系副教授埃里克·阿普尔（Eric Appel）是该论文的主要作者，他说：“在典型的野火条件下，目前的水凝胶在45分钟内就会变干。我们开发了一种应用范围更广的水凝胶——你可以在火势到来之前更长时间地喷洒它，并仍然可以获得保护的好处——而且它在火灾发生时效果会更好。”

持久的保护

保水凝胶由超强吸水聚合物制成——类似于一次性尿布中发现的吸水粉。将它们与水混合并喷洒在建筑物上，它们会膨胀成胶状物质，附着在建筑物外部，形成一层厚实、湿润的屏障。但是，野火附近的条件非常干燥——温度可能接近100度，风速高，湿度为零——甚至锁在凝胶中的水也会迅速蒸发。

在Appel及其同事设计的凝胶中，水只是保护的第一层。除了纤维素基聚合物外，凝胶中还含有二氧化硅颗粒，这些颗粒在凝胶受热时会留下。该研究的首席作者常欣（Lyla）董说：“我们发现了一种独特的现象，即柔软、柔软的水凝胶在受热时会无缝转变为坚固的气凝胶防护罩，从而提供增强和持久的野火防护。这种环保的突破超越了当前的商业解决方案，为野火提供了优越且可扩展的防御能力。”

Appel 说道：“当水蒸发，所有的纤维素燃烧殆尽后，剩下的就是硅粒子组成的泡沫。”“这种泡沫隔热效果非常好，最终会散发热量，完全保护其下面的基板。”

二氧化硅形成气凝胶——一种固体、多孔结构，是特别好的绝缘体。类似的气凝胶二氧化硅被用于太空应用，因为它们极轻，可以防止大多数热传递方式。

研究人员通过将他们的新凝胶配方涂在胶合板上，并使其暴露在燃气手电筒发出的直接火焰下（这种火焰的燃烧温度远高于野火），测试了几种新凝胶配方。他们最有效的配方在木板开始烧焦之前持续了7分钟以上。当他们以同样的方式测试一种市售的水强化凝胶时，它保护胶合板的时间不到90秒。

阿佩尔说：“传统的凝胶一旦变干就不起作用了。我们的材料在接触火焰时会形成这种二氧化硅气凝胶，在所有的水都蒸发后，它继续保护经过处理的基材。一旦火熄灭，这些材料就可以轻松洗掉。”

一次意外的发现

这种新型凝胶是基于阿佩尔之前的森林防火工作研发的。2019年，阿佩尔和他的同事利用这种凝胶，在植被上喷洒森林阻燃剂，使其持续数月发挥作用。该配方旨在帮助防止易燃地区发生火灾。

“我们已经在这个平台上工作了数年，”阿佩尔说。“这一新发展是偶然发生的——我们一直在想这些凝胶在单独使用时会有怎样的表现，所以我们只是在一块木头上涂了一些凝胶，并把它暴露在我们实验室里放着的火把的火焰中。我们观察到的是这个超级酷的结果，凝胶膨胀成气凝胶泡沫。”

在初步成功后，又经过了几年的工程优化配方。现在它储存稳定，易于用标准设备喷涂，并且能很好地附着在各种表面上。凝胶由无毒成分制成，已经获得美国林业局的批准使用，研究人员还进行了研究，证明它们很容易被土壤微生物分解。

阿佩尔说：“它们对人类和环境都是安全的。‘我们可能需要进行额外的优化，但我希望我们能对这些凝胶进行试点规模的应用和评估，以便在火灾发生时，我们可以用它们来帮助保护关键基础设施。’”

参考：由Changxin Dong、Andrea I. d'Aquino、Samya Sen、Ian A. Hall、Anthony C. Yu、Gabriel B. Crane、Jesse D. Acosta和Eric A. Appel于2024年8月21日在《先进材料》上发表的“水增强型凝胶在灾难性野火期间通过热激活形成二氧化硅气凝胶来保护关键基础设施” DOI: 10.1002/adma.202407375

这项工作得到了戈登与贝蒂·摩尔基金会、施密特科学研究员和国家科学基金会的资助。