「趣味科普」變色杯和飛行服竟然是同一原理？微膠囊技術了解一下
2020-10-18 武漢中科先進院
你可能不知道：看似"小兒科"的 變色杯，其實和高大上的 航空服 用了同一種技術——微膠囊技術。
1、微膠囊就像一個"湯圓"
什麼是微膠囊呢？簡單理解：微膠囊就是一種具有聚合物或無機物壁的微型容器，通過微膠囊造粒技術，可以將固體、液體或氣體包埋，封存成一顆固體的微型膠囊。
更簡而言之：微膠囊就是一個特殊殼子，裡面包裹著特殊材料，就像下面這樣：
囊壁就是一種聚合物或無機物的容器；囊芯就是固體，液體，或者氣體的相變材料。
這種把囊芯包裹進囊壁的技術，便叫做：微膠囊技術。
囊壁包裹著囊芯，像極了裹著餡兒的湯圓。
那麼，這顆"湯圓"有多大？
實際上，這顆"湯圓"跟沙子一樣大小，從外表來看，並沒有什麼特別之處：
2、像"湯圓餡"的相變材料
微膠囊看起來平平無奇，猶如一堆散沙，但它的運用對於科學、生活而言，卻很廣泛，上到航空服，下到變色杯，醫藥、食品、輕工、化工、農業領域，都能見到微膠囊的身影。
這主要是由於微膠囊中所包裹的"芯材"，類別多、應用廣。
其中一部分"芯材"被稱之為：相變材料，即PCMs。
物質從一種相轉變為另一種相的過程，叫做相變。比如固體轉化成液體、液體轉化為氣體，這些現象都叫"相變"。
按照相變材料的科學屬性劃分，相變蓄熱材料一般可分為：無機水合鹽相變材料、有機相變蓄熱材料、複合相變蓄熱材料。
無機水合鹽相變材料具有比較大的溶解熱和固定的熔點，是中、低溫相變儲能材料。
有機相變儲熱材料是利用晶型之間的轉變和高分子支鏈在不同溫度下的轉變來進行吸熱或放熱，比如石蠟、酯酸類和高分子化合物。
複合相變蓄熱材料是一種利用無機物作為網絡狀基質以維持材料的形狀、力學性能，而有機物作為相變材料嵌在無機網絡結構裡面，這樣通過有機物的相變來吸收和釋放能量；另一種纖維複合蓄熱材料，它是將導熱纖維製成蓬鬆團置入金屬容易或模腔中，並加入相變蓄熱材料製成的複合材料。
儘管這些相變材料的類型各有不同，但有一個共同點就是：他們可以實現調溫功能。當這些材料處於一定溫度範圍內時，會發生吸熱或放熱反應。而溫變和光變，都可以觸發這一反應。
3、 相變微膠囊如何應用於航空服？
20世紀30年代，當時美國人Wurs-ter用物理方法製備了微膠囊；
20世紀40年代末，他又首先採用空氣懸浮法製得了微膠囊，並成功地運用到藥物方面；
20世紀70年代末80年代初，美國國家航空與航天局（NASA)研究開發了微膠囊相變材料在熱調節防護服裝上的應用技術。
原理就是：相變材料（PCMs）能夠在一種狹窄明確的溫度範圍內改變其相態，以潛熱的形式吸收、貯存和釋放大量的熱量，並且在發生相變的同時，材料的溫度保持不變。
當PCMs密封於直徑幾微米的微膠囊中得到M-PCMs，並應用於服裝時，在微膠囊內密封的PCMs材料可以對外界溫度的變化產生交互感應或響應，因此可減緩溫度的變化，有助於保持恆定的皮膚溫度。
應用了相變微膠囊的航空服完美地實現了調節溫度的作用，而且在這個過程中，航空服本身的溫度不變。
4、 相變微膠囊如何應用於變色杯子？
如今，相變微膠囊逐漸從高大上的醫藥、航天領域，擴展到和人們息息相關的生活中。變色的杯子和衣服，就是一個很好的例子。
變色杯之所以變色，原理就是杯子的塗料中，加入了相變微膠囊。它由隱色色劑、顯色劑和曾敏劑（減敏計）組成。當溫度變化時，曾敏劑（減敏計）改變了固液狀態，使顯色劑和隱色色劑可以自由交換或停止交換電子，微膠囊就會變色。
而倒入熱水，正是觸發溫度變化的方式。
在新技術日新月異的洪流中，相變微膠囊的應用，逐步從高大上的實驗室進入了人們的生活，如果某一天，街道上行走著隨時"變色"的人，你也不必驚訝，因為他很有可能塗上了含有相變微膠囊的防曬霜。
我們期待，科學的應用能真正走進人們的生活！
參考文獻：
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