相变水凝胶（PCHs）凭借高潜热、孔隙率可调以及良好的生物相容性，在低温热管理、储能和生物医学领域具有广阔的应用前景。它不仅能用于全天候热管理，也是细胞冷冻保存和组织工程产品储运的优良载体。
实验表明，当水凝胶的孔隙率从 97% 降至 93% 时，冷冻前沿的推进非但没有加快，反而被显著迟滞。以 30 mm 高度为例，93% 孔隙率的样品完全冻结需要 70 分钟，而 97% 的样品仅需 50 分钟，孔隙率的降低导致冷冻时间大幅延长了约 40%。
孔隙率及边界条件对完全冷冻时间的调控
在微观层面上，冷却边界条件直接决定了冻结后的孔隙形貌。在自下而上的单向温度梯度下，冰晶倾向于顺应热流方向生长，使孔隙发育成高度平行的各向异性层状结构。若改为四周同时冷却，径向温度梯度会引发多向冷冻，无序生长的冰晶会随机挤压、破坏聚合物基质，最终形成各向同性的海绵状无规则网络。
不同冷冻边界条件下微结构形貌特征
该工作研究了孔隙率和边界条件在水凝胶冷冻过程中的影响机制，为后续低温生物冷冻、生物医用支架的制备、以及相变储能材料的热设计提供了切实的参考依据。
论文第一作者为卢天健教授指导的陶泽博士。卢天健教授和史萌教授为共同通讯作者。其他共同作者包括南京航空航天大学孙学超、秦璇。该研究成果得到国家自然科学基金的资助。
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https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128863
