综述：先进相变凝胶：一类独特的多功能材料

《Progress in Materials Science》：Advanced phase-change gels: a distinct class of multifunctional materials

相变凝胶通过整合相变材料与三维凝胶基质，实现了热能存储、机械增强及多功能集成，解决了传统PCMs的泄漏和形变问题，应用涵盖能源、医疗及机器人等领域。

　　

Nitha Mary George | Md.Tariful Islam Mredha | Insu Jeon

韩国光州 Buk-Gu 区 Yongbong-ro 77 号，全南国立大学机械工程学院，61186

摘要

相变凝胶是一种创新的智能材料，通过在凝胶基质的微/纳米隔室中诱导相变反应来制备。相变材料（PCMs）以其能够在相变过程中储存和释放热能而闻名。将 PCM 合理集成到三维凝胶基质中可以协同增强各个组分的性能和应用特性。这些材料从单纯的热能材料转变为多功能系统，同时解决了传统 PCM 面临的挑战。近年来，已经开发出了许多先进的相变凝胶。这些凝胶通过可控的原位相变，在物理（0%–100% 透明度）、机械（强度提高超过 10^4 倍）、热（温差高达 40 ℃）、表面（粘附力提高超过 50 倍）和/或离子（电阻提高超过 10^5 倍）等性质上发生独特、显著且可逆的变化。此外，它们还具有生物相容性、机械稳定性和灵活性；能够实现无泄漏的反应；并且易于制造。这些多功能特性使它们成为设计各种领域先进设备的理想选择，包括热管理、能量收集/存储、生物医学和机器人应用。本文详细阐述了先进相变凝胶的发展历程、最新进展及其广泛应用范围。对凝胶进行了系统分类，并重点讨论了关键设计原则、相对于其他材料的优势、局限性、独特性质以及跨学科应用。最后，我们概述了开发下一代相变凝胶的全面研究前景，包括多 PCM 系统、梯度设计以及生物医学应用等。

引言

凝胶是一类独特的半固态材料，能够模拟生物组织的微观结构，从而实现多种复杂的生物功能。它们作为基础材料，可用于整合多种功能材料，为下一代人机集成提供许多独特的可能性 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。例如，凝胶通过其固态和液态微观结构提供了电学和离子传导路径，并展现出固有的可伸展性和灵活性，为可伸展/可穿戴电子设备和离子电子学领域带来了众多机会 [9], [10], [11], [12], [13]。鉴于其巨大潜力，寻找新的功能材料以集成到凝胶中已成为材料科学领域的一个热门研究课题 [3], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。最近，人们发现了一些能够在相变过程中储存能量的功能性材料，这些材料的灵感来源于自然界的相变过程，如冰水转变 [16], [17]。尽管相变材料（PCMs）具有巨大潜力，但由于相变过程中体积和形状的变化，它们也存在许多局限性。这需要一种外部介质来支持这一现象，同时尽量减少性能下降 [18], [19], [20]。虽然泡沫、纤维和复合材料等材料已被广泛研究作为外部介质，但凝胶在利用相变过程的潜力方面被证明更为有效 [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]。通过将 PCM 高效集成到三维（3D）凝胶基质的微/纳米网格结构中，并利用其半固态特性，研究人员可以有效地控制多种 PCM 的相变反应。这一能力有效解决了传统 PCM 的关键问题，如溶液泄漏、过冷限制、意外相变以及循环不稳定性 [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]。此外，在凝胶基质中编程相变反应会导致整体和表面性质的独特变化，从而协同增强其功能和应用特性。因此，将两种极具前景的材料——PCM 和凝胶——结合在一起，催生了一类新的多功能材料，称为“相变凝胶”。

多种无机、有机或共晶 PCM（包括盐的水合物、离子液体、糖醇和石蜡）均可与兼容的凝胶基质结合，以设计相变凝胶。根据其溶相成分（通常超过 70%），它们可以分为两大类，如图 1 所示。第一类是以溶剂和 PCM 作为溶相的相变凝胶，例如相变水凝胶、有机凝胶、气凝胶和干凝胶，其中 PCM 溶解或分散在溶剂介质中。第二类是以 PCM 本身作为溶相的相变凝胶，例如相变盐凝胶、离子凝胶、聚乙二醇（PEG）凝胶、糖凝胶、石蜡（PA）/脂肪酸（FA）凝胶和乳液凝胶。PCM 传统上以其能够在相变过程中储存和释放能量而受到认可。相变凝胶的引入显著扩展了它们的功能和应用范围。图 2 展示了一些关键功能，包括形状记忆、机械切换、粘附性、光学切换、潜热储存和离子迁移性切换 [32], [33], [34], [35]。相变凝胶的卓越功能使其能够在热管理、能量收集/存储、医疗技术、纺织、传感器、执行器和机器人等领域得到应用（图 2）。

已经发表了许多综述，主要关注 PCM 的固有性质和应用，而没有讨论其与凝胶基质的潜在集成 [17], [20], [37], [38], [39], [40]。随着 PCM-凝胶集成系统作为多功能材料的发展，有一些综述对其进行了有限程度的探讨 [41], [42], [43], [44], [45], [46]。例如，He 等人报道了相变水凝胶在热能储存方面的最新进展 [45]。最近，Li 等人发表了一篇综述，强调了含有固液 PCM 的相变水凝胶的多功能应用 [46]。现有的关于相变凝胶的综述存在多个不足之处。首先，它们仅限于少数几种选定的相变凝胶类型——水凝胶和气凝胶，忽略了许多具有独特结构和功能特性的其他潜在相变凝胶。其次，现有综述缺乏对关键设计参数的深入分析，如凝胶化途径、交联、增韧、机械权衡以及从凝胶角度出发的孔结构，而这些对于克服关键挑战和提高性能至关重要。第三，现有综述未能充分反映先进相变凝胶的快速发展。它们未能讨论最近的趋势以及这些凝胶作为多功能系统的多样性、深度和范围。Yin 等人提出的网络设计创新 [47]、George 等人控制的相变 [36] 以及 Yu 等人提出的刺激响应性 [48] 是体现相变凝胶快速发展的几个例子。智能窗户、双模热管理、智能传感器、超级电容器开关和可控伤口敷料的进步表明，这一领域正在迅速发展，现有综述尚未进行全面概述 [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58]。因此，迫切需要一篇批判性和全面的综述，来解决这些问题，并从多角度全面评估这些材料的快速发展。

本文系统地讨论了从材料设计到多功能应用的各种主题，涵盖了迄今为止开发的所有类型的相变凝胶，并对其设计参数、结构-性质关系和权衡分析进行了批判性探讨。我们详细介绍了它们的多功能性和多样化应用，并基于关键机制进行了详细讨论。最后，通过整合凝胶科学和 PCM 研究领域的专家见解，全面概述了未来的研究前景，从而推动这一独特材料类别的进一步发展。

相变凝胶简介

对多功能材料的需求不断增加，这推动了开发更智能、更具适应性的材料，以满足能效、可持续性和功能性的同时要求。在这种情况下，相变凝胶作为前沿材料出现，将能量管理与多功能性有机结合 [46]。相变凝胶的发展得益于聚合物化学、凝胶材料、PCM 以及凝胶-PCM 集成的进步创新。

对不同相变凝胶的设计见解

单独使用的 PCM 或与合适的溶剂结合使用作为溶相的 PCM 占相变凝胶的主要体积比例。这一结构特征导致了多种相变凝胶的分类，通常根据其溶相成分进行划分，如图 1 所示。每种相变凝胶都有其独特的优势、劣势和设计依据。

利用相变实现的热管理和能量存储

PCM 以潜热/显热的形式储存和释放热能，因此成为可持续全球能源管理的重要组成部分。如图 15a 所示，当温度升高时，材料最初通过传导、对流和辐射等方式储存显热。当达到相变温度时，进一步的能量以恒定温度的潜热形式储存。

结论与未来展望

相变凝胶是一类新兴的智能材料，能够满足可持续能源和多功能性的需求。这些凝胶通过将 PCM 合理嵌入由 3D 凝胶基质形成的纳米/微隔室中，协同利用了相变反应和软材料的潜力。由于可以使用不同的 PCM（无论是否含有溶剂），因此开发出了不同类型的相变凝胶。

CRediT 作者贡献声明

Nitha Mary George：撰写——原始草稿、验证、资源准备、方法论、研究、数据分析、概念化。 Md.Tariful Islam Mredha：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。 Insu Jeon：审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府资助的 国家研究基金会（NRF）（MSIT）的资助 [资助编号：RS-2025-23323738, RS-2026-25476361]，以及韩国科学技术部通过 NRF 资助的 Brain Pool 项目的资助 [资助编号：RS-2024-00408127]。

Nitha Mary George 目前在韩国全南国立大学机械工程系攻读博士学位。她于 2020 年在印度科钦科学技术大学（CUSAT）获得聚合物科学硕士学位，2018 年在印度圣雄甘地大学获得化学学士学位。她的研究重点是设计用于能量存储和收集的多功能凝胶材料。