氣候變化造成了更炎熱、更干燥的天氣，我們看到火災(zāi)季節(jié)更長，野火更大、更頻繁。近年來，災(zāi)難性的野火摧毀了房屋和基礎(chǔ)設(shè)施，給受災(zāi)地區(qū)人民的生命和生計造成了毀滅性的損失，并破壞了荒地資源和經(jīng)濟發(fā)展。我們需要新的解決方案來對抗野火，保護地區(qū)免受損害。
斯坦福大學的研究人員開發(fā)出了一種增水凝膠，可以噴灑在房屋和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施上，以防止它們在野火中燃燒。8月21日發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上的研究表明，這種新型凝膠的壽命更長，且效果顯著優(yōu)于現(xiàn)有的商用凝膠。該論文的資深作者、工程學院材料科學與工程副教授Eric Appel表示：“在典型的野火條件下，現(xiàn)有的增水凝膠會在45分鐘內(nèi)變干。我們已經(jīng)研制出了一種應(yīng)用范圍更廣的凝膠——可以在野火發(fā)生前進行噴灑，仍然可以保護建筑，而且這種凝膠在野火發(fā)生時效果更佳?！?/p>
持久的保護增水凝膠由高吸水性聚合物制成，類似于一次性尿布中的吸水粉末。將它們與水混合并噴灑在建筑物上，它們會膨脹成一種凝膠狀物質(zhì)附著在建筑物的表面，形成一個厚厚的濕“盾牌”。但野火附近的環(huán)境極其干燥——溫度可能接近100度，伴有強風和零濕度——甚至凝膠中的水也會很快蒸發(fā)。在Appel及其同事設(shè)計的凝膠中，水只是第一重保護。除了纖維素基聚合物外，該凝膠還含有二氧化硅顆粒，二氧化硅顆粒是在凝膠受熱時留下的。該研究的主要作者Changxin Dong說：“我們發(fā)現(xiàn)了一種獨特的現(xiàn)象，即柔軟、有彈性的水凝膠在受熱時無縫過渡為堅固的氣凝膠防護層，提供強效和持久的野火防護作用。這一具有環(huán)保意識的突破超越了當前的商業(yè)解決方案，提供了一種優(yōu)越且可擴展的野火防護功能?！?/p>
Appel說：“當水分蒸干，所有的纖維素燃燒殆盡時，只剩下組裝成泡沫的二氧化硅顆粒。這種泡沫具有高度的絕熱性，最終會驅(qū)散所有的熱量，完全地保護其下方的基材。”二氧化硅形成的氣凝膠是一種具有多孔結(jié)構(gòu)固體，是一種特別好的絕熱材料。類似的二氧化硅氣凝膠用于太空應(yīng)用，因為它們非常輕，可以阻止大多數(shù)傳熱方式。研究人員測試了他們的新型凝膠的幾種配方，將其涂在膠合板上，并將其直接暴露在手持噴槍的火焰中，噴槍的燃燒溫度比野火高得多。他們最有效的凝膠配方持續(xù)了7分鐘多，然后木板開始燒焦。當他們以同樣的方式測試一種市售的增水凝膠時，發(fā)現(xiàn)它對膠合板的保護時間不到90秒。Appel說：“傳統(tǒng)的凝膠一旦變干就不起作用了。我們的材料在暴露于火中時會形成這種二氧化硅氣凝膠，在所有水分蒸發(fā)后繼續(xù)保護處理過的基材。一旦火熄滅，這些材料很容易被沖洗?！迸既坏陌l(fā)現(xiàn)這些新型凝膠以Appel之前預(yù)防野火的工作為基礎(chǔ)。2019年，Appel和他的同事利用這些凝膠將野火阻燃劑附著在植被上，每次可保持數(shù)月。該配方的目的是防止易發(fā)生野火的地區(qū)起火。Appel說：“我們已經(jīng)與這個平臺合作多年了。這次的新進展有點偶然，我們想知道這些凝膠會如何自行發(fā)揮作用，于是我們就把一些凝膠抹在了一塊木頭上，然后將其暴露在實驗室內(nèi)放置的火炬的火焰中。我們觀察到了這個非?？岬慕Y(jié)果，凝膠膨脹成了氣凝膠泡沫?！痹谌〉贸醪匠晒螅芯咳藛T又花費了數(shù)年時間對配方進行優(yōu)化。這種凝膠現(xiàn)在儲存穩(wěn)定，可以用標準設(shè)備輕松噴灑，而且能很好地附著在各種表面上。這種凝膠由無毒成分制成，已經(jīng)獲得美國林業(yè)局批準使用，研究人員進行的研究表明，它們很容易被土壤微生物分解。Appel說：“它們對人和環(huán)境來說都是安全的。可能還需要進一步優(yōu)化，但我希望我們可以對這些凝膠進行中試規(guī)模的應(yīng)用和評估，這樣我們就可以在火災(zāi)發(fā)生時使用它們來保護關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施?！边@項工作的其他參與者來自加州州立理工大學。這項工作由戈登與貝蒂·摩爾基金會（Gordon & Betty Moore Foundation）、施密特科學研究員（Schmidt Science Fellows）和美國國家科學基金會（ National Science Foundation）資助。
