在美國情景喜劇《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）第一季當中出現過這樣的一幕：實驗物理學家 Leonard 第一次與美女鄰居 Penny 外出約會，出門前卻因過度緊張而導致恐慌症發作，不停淌下的汗水把襯衫打濕，顯得十分滑稽。當他站在舍友 Sheldon 面前詢問自己 “看起來如何時”，低情商的 Sheldon 直言 ——“你腋下的汗漬不要過于明顯！”
這種因汗漬引發尴尬的情景在生活中也並不少見，尤其是在悶熱的三伏天或是大量運動之後。據統計，在炎熱天氣下，普通人運動 30 分鍾，排汗量就可達到 3 升 / 小時，而專業運動員跑完一場馬拉松，出汗量可能達到 3.4 至 6 升；有參賽者曾在夏威夷鐵人世界冠軍賽過程中累計排出了 15 升的汗水。
運動時的大汗淋漓確實讓人感到暢快，可是一旦當汗液的蒸發速度低于分泌速度，汗液就會大量堆積，像 Leonard 一樣在腋下等敏感位置形成明顯汗漬讓人窘迫不堪；而且貼身衣物、鞋襪也都會變濕漉漉的，緊緊粘在皮膚上，不僅會讓人産生身體上的不適，而且還會給身體帶來潛在危害。
“腋下出汗後會形成高濕的小環境，進而促進細菌的生長，産生令人不快的體味。同樣，汗水在鞋子裏的積累也可能會導致健康問題，如水泡、老繭、真菌感染也就是常說的腳氣等。” 新加坡國立大學材料科學與工程系的助理教授陳瑞深（Tan Swee Ching）表示。
那麽，有沒有一款産品可以做到大量且快速地吸收汗水蒸發出的水分，防止汗水堆積，讓人們真正能兼得 “魚與熊掌”，實現運動也涼爽呢？
曆時半年多，陳瑞深與該校丁軍教授領導的團隊成功制備出一種具有超強親濕性能的钴絡合物薄膜（Co-SHM），並將這種薄膜包裹在防水透氣的聚四氟乙烯膜（PTFE）中組裝成一款吸濕産品。
圖 | 基于 Co-SHM 設計的鞋內襯和鞋墊
該産品一方面可以作爲腋窩墊、鞋內襯和鞋墊，快速吸收汗水蒸發出的水分，防止汗水堆積，爲人們提供幹燥的 “小氣候”。同時，還可加速汗液蒸發，降低皮膚表面溫度，使人們感到涼爽。另一方面，還可以用其組裝成可穿戴設備的能源器件，利用吸收汗水蒸發出的水分來發電。
圖 | 相關論文 （來源：Nano Energy）
該研究成果于 2020 年發表在《納米能源》（Nano Energy）雜志，標題爲《超吸濕膜用于可穿戴設備，具有加速汗液蒸發和能量收集的雙重功能》（Super-hygroscopic film for wearables with dual functions of expediting sweat evaporation and energy harvesting）。團隊其他成員包括張雪萍博士、楊佳辰、Ramadan Borayek。
圖 | 第一排：陳瑞深 (左)，丁軍（右）；第二排：楊佳辰（左），張雪萍（中），Ramadan Borayek（右）
新吸濕膜的吸水量是傳統材料的 15 倍
沸石和硅膠等傳統吸濕材料，由于存在吸濕動力學差、吸水量少以及散裝固體結構等問題，很難用于汗水吸收裝置。
爲突破傳統材料的局限，陳瑞深團隊研究了不同過渡金屬鹽的吸濕行爲，並最終選擇將 CoCl2 和乙醇胺進行結合，從而開發了钴絡合物基超吸濕材料（Co-SHM）。
其中，氯化钴是一種比較典型的吸濕性金屬鹽，這種钴離子也容易與配體結合形成絡合物。而乙醇胺是一種廣泛使用的與金屬鹽形成絡合物的配體，同樣具有吸濕性。因此，通過合理設計，利用這兩種原材料制備出新材料 Co-SHM 薄膜，具有顯著增強的吸濕性能。
在實驗過程中，該團隊發現在室溫爲 24.5ºC、相對濕度爲 71% RH 的條件下，水蒸氣在碰到 Co-SHM 薄膜後很快就被 “捕獲”。15 分鍾後，Co-SHM 薄膜表面就可以觀察到明顯的小液滴，隨後液滴逐步變大、並在 30 分鍾後聚集成更大的液滴。
隨著時間不斷增加，Co-SHM 薄膜變得完全潤濕，並在 24 小時後形成連續性水膜。有趣的是，在水蒸氣的吸收過程中，可觀察到薄膜發生的明顯色變 —— 逐漸從藍色變爲紫色，最後變爲粉紅色，這說明 Co-SHM 薄膜還可作爲水分吸收程度的指示器。
圖 | 水蒸氣吸收 / 解吸過程示意圖 （來源：Nano Energy）
“與日常生活中常用的硅膠、分子篩等吸濕産品相比，我們制備的材料吸濕能力顯著增強，飽和吸水量大約是他們的 15 倍，而且吸收速率非常快，約是硅膠等的 6 倍，” 陳瑞深介紹道。
除了吸濕能力顯著增強外，Co-SHM 在太陽光照射或者加熱到 60℃即可釋放吸收的水分，實現材料的再生利用，與其他吸濕性材料相比，Co-SHM 無疑具有更高的能源效率。並且，Co-SHM 在超過 100 個吸收 / 解吸循環後依然保持出色的穩定性和耐久性，每個循環後只有約 2％的水分無法完全解吸。
陳瑞深告訴 DeepTech，與其他吸濕材料相比，Co-SHM 薄膜制備簡單、再生容易，多次重複利用後性能基本保持不變，可大大簡化産品制備過程，並能降低生産成本。這些優勢使其成爲水蒸氣吸收劑中最有前景的候選材料之一。
利用 Co-SHM 制備出功能化可穿戴設備，加速汗液蒸發
因此，他們將 Co-SHM 薄膜與透氣防水的 PTFE 膜進行組裝，進而設計並制作了材質柔軟的腋窩墊、鞋襯裏、鞋內底等功能化可穿戴産品。
其中，基于 Co-SHM 設計的腋窩墊，尺寸爲 15×15cm。PTFE 膜具有優異的水蒸氣滲透性，可以及時將汗水蒸發的水分輸送到 Co-SHM 膜中完成水分吸收，這樣一來，就顯著加快了汗水的蒸發速度，有助于腋下保持幹燥舒適。
此外，該防水膜還能有效阻止已成型的液態水和含水 Co-SHM 薄膜發生滲漏。研究人員將腋下墊貼在 T 恤左腋窩處，並在周圍環境中（溫度爲 34ºC，濕度 80% RH 的新加坡）行走 30 分鍾，結果顯示，沒有使用腋下墊的 T 恤衫右腋下出現了明顯的汗水汙漬，而墊了腋下墊的 T 恤衫左腋下卻是完全幹燥的。
圖 | 腋窩墊的配置示意圖 （來源：Nano Energy）
同樣，這種吸濕材料還可放在鞋中，作爲鞋內襯或者鞋墊，去快速吸收雙腳排出的汗液，讓鞋內環境更加幹燥，使人們更大程度地擺脫細菌或真菌感染的可能性。
爲此，陳瑞深團隊提供了兩種制備策略：一種是在腋窩墊的基礎上，通過改變 PTFE 膜的形狀，將其制成鞋襯，由 Co-SHM 膜和 PTFE 膜構成的鞋裏襯具有防水性（不僅可以防止外部水分進入，而且可以阻止內部水分泄漏），還具有透濕和吸收功能，從而抑制了細菌生長。而這種襯裏還可以與其他織物或皮革粘合，從而能夠廣泛應用于軍用鞋、運動鞋、時尚鞋等産品中。
除鞋襯之外，他們還采用 3D 打印技術制作了包含三層的鞋墊模型，中部和底部尺寸爲 11×4 厘米，該鞋墊底層由 Co-SHM 薄膜和支撐物構成；中間層爲固體覆蓋層，上面有許多小孔供濕氣通過，而上層則是防止腳底與 CoSHM 直接接觸，提高安全性的透濕防水膜。實驗最終也證明了基于 Co-SHM 的內襯和鞋墊，可以快速有效地吸收汗液蒸發中的水分。
圖 | 基于 Co-SHM 的內襯和鞋墊配置示意圖 （來源：Nano Energy）
陳瑞深指出，在實際應用當中，可以通過改變 Co-SHM 的用量，來獲得長期的吸濕效果。並且，因爲鞋墊在吸收水分後會顯示明顯的顔色變化，從藍色到紫色再到粉紅色，所以，人們可以方便地判斷是否需要更換鞋墊。而在人們不穿這雙鞋時，鞋內的裏襯和鞋墊能夠幫助鞋內保持相對較低的濕度（約 63.8％），可以防止發黴。
用過的鞋墊在自然光下照射 20 分鍾，就可以基本恢複幹燥，重新加以使用，這樣一來，能夠大大提高産品的使用效率，並降低其成本。
研發可穿戴能量收集裝置，利用汗水發電
陳瑞深告訴 DeepTech，隨著科技的發展，可穿戴電子設備，如手環等各種傳感器，在人們日常生活中的應用範圍越來越廣泛。如何給設備提供可持續性電能逐漸成爲研究焦點，而這也在一定程度上成爲阻礙可穿戴設備進一步發展的關鍵因素之一。
因此，在利用 Co-SHM 實現高效率吸收汗水蒸發出的水分的目標後，他們再次向前邁出了一步 —— 研發出一種可穿戴的能量收集裝置（WEHD），可以將汗液蒸發産生的水分轉化爲能量。
WEHD 是由八個電化學電池串聯而成，並使用 Co-SHM 作爲電解質。在吸濕的情況下，每個 EC 可以提供高達 0.57V 的開路電壓（VOC）。WEHD 收集的全部能量足以爲一個發光二極管（LED）供電。
圖 | 可穿戴能量收集裝置 (WEHD) 工作原理示意圖（來源：Nano Energy）
據介紹，該裝置制備過程十分簡單，而且整個器件造價非常低，可大大降低可穿戴電子設備的生産成本，同時充分實現了汗液的回收再利用。
作爲此次研究的主導人之一，陳瑞深本人本科畢業于新加坡國立大學物理學院，博士畢業于于劍橋大學電子工程學院，之後前往美國麻省理工學院進行博士後研究，後任職于新加坡國立大學材料科學與工程學院。其主要從事大氣水收集、海水淡化、以及基于蛋白質的太陽能電池等方面的研究。近年來，他以第一作者和通訊作者在 Joule、Nat. Commun.、 Energy Environ. Sci. 等學術期刊上發表論文 50 多篇，並獲得多項發明專利。
此後，他開始和團隊投入到空氣集水技術的研究中。他表示，吸收汗水蒸發出的水分的原理，跟從空氣中提取水分基本相似，所以此次研究相當于把空氣集水技術做了適當的延伸，可更直接地解決當下問題。隨著材料的不斷優化，他們希望能與公司展開合作，共同設計功能性衣物和鞋子以及新型可穿戴電子設備。
2018 年，其團隊研發出專有水凝膠材料，可將體感溫度降低 7-9℃。自此以後，他們又相繼制備出超吸濕钴絡合物薄膜 Co-SHM 等許多實用性材料。2019 年，陳瑞深創辦了 Ultra Dry Pte. Ltd. 公司，目的就是爲了讓這些研究成果走出實驗室，變成實實在在的産品，從而爲人們的生活帶來真正的改變。
“未來我們也將繼續堅持基礎研究與實際應用相結合的發展思路，將研究成果轉化爲真正能爲人們服務的産品。” 陳瑞深說道。