研究人员创造了一种可喷涂的凝胶，作为建筑物的保护屏障，以抵御野火损害。与目前可用的商业替代品相比，这种凝胶更耐用和有效。
由于气候变化导致更热和更干燥的条件，火灾季节越来越长，这导致了更大和更频繁的野火。近年来，毁灭性的野火摧毁了房屋和基础设施，给受影响地区的人们造成了巨大的生命和生计损失，同时也损害了自然资源和经济。我们需要创新解决方案来对抗野火并保护脆弱地区。
斯坦福大学的研究人员介绍了一种水增强凝胶，旨在喷洒在房屋和重要基础设施上，以保护它们免受野火影响。该研究的发现于8月21日发表在《先进材料》期刊上，表明这种新凝胶不仅持久，而且显著优于现有的商业凝胶。
“在正常的野火条件下，目前的水增强凝胶只在45分钟内干燥，”工程学院材料科学与工程的副教授、该研究的资深作者埃里克·阿佩尔表示。“我们开发了一种应用时间更长的凝胶——您可以在火灾发生前很久喷洒它，仍然能获得保护效果，并且在火灾来临时表现更好。”
持久的保护
水增强凝胶是由超吸水聚合物制成的，类似于一次性尿布中使用的吸收材料。当与水结合并喷洒在建筑物上时，它们会膨胀成一种类明胶的物质，附着在外部，形成厚重的湿保护屏障。然而，野火附近的环境通常非常干燥，温度接近100度，强风和几乎没有湿度，导致甚至包裹在凝胶中的水迅速蒸发。
阿佩尔和他的团队开发的凝胶以水作为最初的防御。除了基于纤维素的聚合物，凝胶还包括在凝胶暴露于热量后留下的二氧化硅颗粒。“我们发现了一种独特的现象，软水凝胶在加热时可以平滑地转变为强大气凝胶屏障，提供增强和持久的野火防护。这个环保的进步超越了现有的商业选择，为应对野火威胁提供了更好且可扩展的解决方案，”该研究的首席作者董长鑫表示。
阿佩尔补充道：“一旦水蒸发，所有的纤维素燃烧殆尽，二氧化硅颗粒便聚集在一起形成泡沫。这个泡沫具有很高的绝缘性，有效地散热，完全保护其下的物体。”
二氧化硅转化为气凝胶——一种轻质多孔的材料，是极好的绝缘体。类似的二氧化硅气凝胶由于其重量轻和有效防止热传递的特性被用于太空技术。
研究人员通过将不同配方的凝胶应用于胶合板样本，并用气体喷枪直接暴露于火焰中进行实验，气体喷枪产生的温度显著高于野火。他们最有效的凝胶配方在木材上出现任何炭化之前持续了超过七分钟。而相比之下，市面上可用的水增强凝胶在相同测试中只提供不到90秒的保护。
阿佩尔指出：“传统凝胶一旦干燥便失去效力。我们的材料在暴露于火焰时会形成这种二氧化硅气凝胶，即便在所有水蒸发后，仍能继续保护处理过的表面。这些材料可以在灭火后轻松清洗掉。”
偶然的发现
这种新凝胶建立在阿佩尔早期防火研究的基础上。2019年，阿佩尔和他的团队利用这些凝胶在植物上保持阻燃剂，以延长在易燃地区防止引燃的时间。
“我们已经开发这项技术多年，”阿佩尔提到。“这次最新的进展是有些意外的——我们对这些凝胶在制作过程中如何表现感到好奇，所以我们在一块木头上测试了一些，并用实验室喷枪点燃它。我们看到的结果令人兴奋，凝胶膨胀成气凝胶泡沫。”
在这一初步突破之后，进一步的改进花费了数年时间来完善配方。现在，这种凝胶在存储时稳定，使用标准设备轻松喷涂，且能够很好地附着于各种表面。这些凝胶包含了美国森林服务局批准使用的无毒成分，研究表明它们可被土壤微生物轻松分解。
阿佩尔提到：“它们对人类和环境都是安全的。虽然可能需要进一步优化，但我希望我们能够进行这些凝胶的试点应用和评估，以有效保护关键基础设施在野火事件中的安全。”
这项研究的其他共同作者来自加利福尼亚州理工州立大学。
这项研究得到了戈登与贝蒂·穆尔基金会、施密特科学奖学金和国家科学基金会的资助。
