随着气候变化造成更热、更干燥的环境，我们看到火灾季节更长，野火规模更大、更频繁。近年来，灾难性野火摧毁了房屋和基础设施，给受灾地区人民的生命和生计造成了巨大损失，破坏了荒地资源和经济。我们需要新的解决方案来扑灭野火，保护地区免受破坏。
斯坦福大学的研究人员已经开发出一种增水凝胶，可以喷洒在房屋和关键基础设施上，以帮助防止它们在野火中燃烧。这项研究发表在8月21日的《先进材料》杂志上，表明这种新型凝胶比现有的商用凝胶使用寿命更长，效果也更好。
“在典型的野火条件下，目前的增水凝胶在45分钟内就会变干，”工程学院材料科学与工程副教授、该论文的资深作者埃里克·阿佩尔(Eric Appel)说。“我们已经开发出一种凝胶，它的应用范围更广，你可以在火灾发生前喷洒它，仍然可以得到保护，而且在火灾发生时它会更好地起作用。
持久的保护
增水凝胶是由高吸水性聚合物制成的，类似于一次性尿布中的吸水性粉末。与水混合后喷洒在建筑物上，它们膨胀成一种胶状物质，附着在建筑物的外部，形成一层厚厚的湿盾。但野火附近的条件非常干燥——温度可能接近100度，大风和零湿度——甚至锁在凝胶中的水也会蒸发得相当快。
在阿佩尔和他的同事们设计的凝胶中，水只是第一层保护。除了纤维素基聚合物外，这种凝胶还含有二氧化硅颗粒，当凝胶受热时会留下二氧化硅颗粒。“我们发现了一种独特的现象，一种柔软、黏糊糊的水凝胶在高温下无缝地转变为坚固的气凝胶屏蔽，提供增强和持久的野火保护。这项具有环保意识的突破超越了目前的商业解决方案，提供了一种卓越的、可扩展的野火防御，”该研究的第一作者董长欣(音译)说。
阿佩尔说:“当水沸腾时，所有的纤维素都燃烧掉了，剩下的是硅颗粒，它们组装成泡沫。”“这种泡沫是高度绝缘的，最终会分散所有的热量，完全保护它下面的基材。”
二氧化硅形成气凝胶——一种固体多孔结构，是一种特别好的绝缘体。类似的二氧化硅气凝胶用于空间应用，因为它们非常轻，可以阻止大多数传热方法。
研究人员测试了几种新凝胶的配方，将它们涂在胶合板上，并将它们暴露在气体手电的直接火焰中，这种火焰的燃烧温度比野火高得多。他们最有效的配方在板子开始烧焦前持续了7分钟以上。当他们用同样的方法测试一种市售的增水凝胶时，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。”“我们的材料在暴露于火中时形成这种二氧化硅气凝胶，在所有的水蒸发后继续保护处理过的基材。一旦火熄灭，这些材料很容易被冲走。”
一个偶然的发现
新的凝胶是在Appel之前的野火预防工作的基础上开发的。2019年，阿佩尔和他的同事们使用这些相同的凝胶作为载体，一次将荒地阻燃剂固定在植被上数月。该配方旨在帮助防止在野火易发地区着火。
阿佩尔说:“我们已经与这个平台合作多年了。“这个新发现有点偶然——我们想知道这些凝胶自己会有什么表现，所以我们只是把一些涂在一块木头上，然后把它暴露在我们放在实验室周围的火炬的火焰中。我们观察到的结果非常酷，凝胶膨胀成气凝胶泡沫。”
在最初的成功之后，又花了几年的时间来优化配方。它现在在储存中稳定，很容易用标准设备喷涂，并粘附在各种表面上。这种凝胶是由无毒成分制成的，这些成分已经被美国林务局批准使用，研究人员进行的研究表明，它们很容易被土壤微生物分解。
“它们对人和环境都是安全的，”阿佩尔说。“可能需要额外的优化，但我希望我们可以对这些凝胶进行中试规模的应用和评估，这样我们就可以在火灾发生时使用它们来帮助保护关键的基础设施。”
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