氣凝膠近期頂刊十大研發(fā)成果！
氣凝膠是目前已知的最輕的固體材料，因其具有納米多孔結(jié)構(gòu)、低密度、低介電常數(shù)、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，在航天、軍事、交通、通訊、醫(yī)用、建材、電力、冶金等眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應(yīng)用前景，被稱為“改變世界的神奇材料”，是化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。
本文整理了近期各期刊發(fā)表的10項有代表性的氣凝膠相關(guān)研發(fā)成果。
1、《AFM》：氣凝膠隔熱保溫新機(jī)制及其按需熱管理調(diào)控，助力建筑節(jié)能減排“Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management”
氣凝膠最具代表性的應(yīng)用為隔熱保溫，其超低熱導(dǎo)率往往是解釋氣凝膠優(yōu)異熱管理性能的首要因素。然而，越來越多的研究表明，氣凝膠在戶外應(yīng)用時，其與環(huán)境的熱交換產(chǎn)生的熱效應(yīng)可能遠(yuǎn)大于低熱導(dǎo)率的影響，即被動太陽光加熱、輻射致冷以及熱傳導(dǎo)對氣凝膠的熱管理行為起到同等重要的作用。
中科院蘇州納米所王錦等人設(shè)計合成了系列具有不同光學(xué)性能（包括不同太陽光透過率和中遠(yuǎn)紅外發(fā)射率）的氧化硅氣凝膠，系統(tǒng)研究了自然環(huán)境下氧化硅氣凝膠的熱管理行為，該工作不僅發(fā)現(xiàn)氧化硅氣凝膠的“怪異”熱管理行為，而且揭示了其原因，并在此基礎(chǔ)之上提出了氣凝膠隔熱保溫新機(jī)制及其調(diào)控策略，最終實(shí)現(xiàn)氧化硅氣凝膠的按需熱管理調(diào)控。相關(guān)研究結(jié)果有助于重新認(rèn)識近百年發(fā)展史的氧化硅氣凝膠，為充分發(fā)揮氣凝膠的極致熱管理能力提供重要參考和調(diào)控策略，特別為自然環(huán)境下最大發(fā)揮氣凝膠的隔熱保溫性能提供設(shè)計原理，為如何使用氣凝膠、完美實(shí)現(xiàn)氣凝膠的熱管理行為、以及助力建筑節(jié)能減排提供科學(xué)依據(jù)和解決方案。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202300441
2、《AFM》：在超高溫下具有強(qiáng)隔熱性能的熱響應(yīng)氣凝膠“Thermo-responsive self-ceramifiable robust aerogel with exceptional strengthening and thermal insulating performance at ultrahigh temperatures”
高效隔熱材料對處于極端熱環(huán)境中的人員和財產(chǎn)安全防護(hù)起著至關(guān)重要的作用。開發(fā)一種普通條件下具有優(yōu)異力學(xué)性能，高溫下具有高強(qiáng)度與高溫隔熱性能的氣凝膠仍然是極端環(huán)境隔熱材料領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。
四川大學(xué)趙海波教授團(tuán)隊報道了一種耐極端環(huán)境的熱響應(yīng)高溫可陶瓷化聚合物基氣凝膠。該工作以明膠與硅氧烷構(gòu)筑氣凝膠基材，進(jìn)一步引入陶瓷化填料（MMT/mica與APP/ZB），制備得到一種具有化學(xué)/物理雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可陶瓷化氣凝膠（GT-mM-AZn）。該氣凝膠在普通環(huán)境下具有優(yōu)異的力學(xué)性能與可加工性能，在高溫下發(fā)生陶瓷化反應(yīng)轉(zhuǎn)變生成高強(qiáng)度的陶瓷體結(jié)構(gòu)，高溫處理后力學(xué)強(qiáng)度不僅不降低反而成倍增加，維持高溫下材料的多孔結(jié)構(gòu)不坍塌，具有優(yōu)異的阻燃性、耐極端熱環(huán)境性與高溫隔熱性。該工作為開發(fā)用于極端熱環(huán)境下的高效、高強(qiáng)度的熱防護(hù)聚合物基氣凝膠提供了新的思路和策略。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214913
3、《AFM》:受荷葉柄啟發(fā)的石墨烯//PNAGA氣凝膠太陽能蒸發(fā)器，用于水凈化“A Lotus-Petiole-Inspired Hierarchical Design with Hydrophilic/Hydrophobic Management for Enhanced Solar Water Purification”
在荷葉柄優(yōu)異的泵送和自清潔能力的啟發(fā)下，通過精確調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和潤濕性，rGO/PNAGA 氣凝膠 （GPA） 太陽能蒸發(fā)器在一次太陽照射（1 kW m−2）下，蒸發(fā)率高達(dá)3.4 kg m−2 h−1，能量轉(zhuǎn)換效率≈93%，明顯超過具有類似成分的碳基氣凝膠。
東北大學(xué)Xiangyu Li、清華大學(xué)Lin Feng等研究人員受荷葉柄特征的啟發(fā)，報告了一種潤濕性增強(qiáng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生，該氣凝膠含有嵌入聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA）的還原氧化石墨烯（rGO）片陣列。作者選擇rGO源于其出色的可加工性和兼容性，可輕松制造成三維和對齊的層狀框架。因此，它可以在相關(guān)長度尺度上模仿荷葉柄，以促進(jìn)水-空氣運(yùn)輸并補(bǔ)充蒸發(fā)表面。作者的研究為滿足可持續(xù)和全面的水凈化系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)差距提供了可能性，這應(yīng)該為能源 - 水 - 環(huán)境關(guān)系中的其他先進(jìn)材料提供更多提升選擇。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202302019
4、《AM》：仿貝殼納米復(fù)合氣凝膠——面向極端環(huán)境使役的熱防護(hù)材料“Nacre-Mimetic Nanocomposite Aerogels with Exceptional Mechanical Performance for Thermal Superinsulation at Extreme Conditions”
極端環(huán)境（如深空和深海）對氣凝膠材料的熱防護(hù)性能提出了更高要求：一方面，氣凝膠需兼具超低熱導(dǎo)率（< 20 mW m-1K-1）和優(yōu)異力學(xué)性能（高剛性、高柔性、超彈性等）；另一方面，需突破低成本和易規(guī)?；臍饽z制備技術(shù)，也讓原本艱巨的任務(wù)變得更加困難。
東華大學(xué)朱美芳院士團(tuán)隊設(shè)計并構(gòu)筑了“多孔磚和纖維”結(jié)構(gòu)的仿貝殼納米復(fù)合氣凝膠（SCQs），通過在層狀纖維素納米纖維凝膠網(wǎng)絡(luò)中原位生長介孔無機(jī)礦物來實(shí)現(xiàn)。基于跨維度、跨尺度的結(jié)構(gòu)適配工作原理，該有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合SCQs在環(huán)境壓力干燥過程中具有快速結(jié)構(gòu)回復(fù)能力，為氣凝膠材料的低成本規(guī)?；苽涞於ɑA(chǔ)。該工作所制備的納米復(fù)合氣凝膠集成了氣凝膠材料高絕熱性能、高壓縮剛度、超彈性、高彎曲柔性、良好的抗沖擊性和低成本易規(guī)?；苽涞忍魬?zhàn)性需求，有望替代航空航天領(lǐng)域常用的多層隔熱氈，并用于航天器和宇航員的熱防護(hù)。
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https://doi.org/10.1002/adma.202300813
5、《Adv. Sci.》：超彈性碳化蘑菇氣凝膠，可治療失控性出血“Super-Elastic Carbonized Mushroom Aerogel for Management of Uncontrolled Hemorrhage”
院前創(chuàng)傷患者潛在可預(yù)防的死亡最常見原因是無法控制出血。目前很少有止血材料能同時實(shí)現(xiàn)安全、高效的快速止血。
南昌大學(xué)的萬文兵、中國科學(xué)院大學(xué)Shixuan Chen、溫州醫(yī)科大學(xué)潘景業(yè)教授團(tuán)隊進(jìn)行了用于治療不受控制出血的超彈性碳化蘑菇氣凝膠的相關(guān)研究。本文開發(fā)了新的碳化纖維素基氣凝膠止血材料，可用于處理不可壓縮性軀干出血。在體外，具有多孔結(jié)構(gòu)的碳化纖維素氣凝膠顯示出良好的親水性、良好的血液吸收和凝固能力，以及在潮濕條件下快速形狀恢復(fù)能力。最后，碳化氣凝膠在體外和體內(nèi)研究中都顯示出有效的止血能力。未來的研究可能通過引入氧化石墨烯、冰凍凝膠或其他形狀記憶材料來提高形狀恢復(fù)能力。同時可通過使材料帶正電或負(fù)電，或與止血粉（如高嶺土、ZEO-LITE）混合，來提高氣凝膠的止血能力。纖維素和混合纖維素止血材料在治療NCTH方面很有前景。極端環(huán)境（如深空和深海）對氣凝膠材料的熱防護(hù)性能提出了更高要求：一方面，氣凝膠需兼具超低熱導(dǎo)率（< 20 mW m-1K-1）和優(yōu)異力學(xué)性能（高剛性、高柔性、超彈性等）；另一方面，需突破低成本和易規(guī)?；臍饽z制備技術(shù)，也讓原本艱巨的任務(wù)變得更加困難。
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https://doi.org/10.1002/advs.202207347
6、《JMST》：一種新型的用于電池?zé)峁芾淼膶?dǎo)熱氣凝膠材料“A strategy for constructing 3D ordered boron nitride aerogels-based thermally conductive phase change composites for battery thermal management”
先進(jìn)電子設(shè)備中的中央處理器(CPU)和射頻(RF)芯片的快速發(fā)展，芯片逐漸向集成化，微型化發(fā)展，導(dǎo)致功率密度的增加，因此使器件在工作的過程中產(chǎn)生大量的熱量。相變材料(PCM)可以通過相變過程吸收和釋放熱能，基于PCM的熱管理能力，PCM在太陽能儲能、建筑保溫等方面得到了廣泛的應(yīng)用。有機(jī)相變材料，尤其是聚乙二醇(PEG)，因其相變焓高、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。然而，純PEG的低固有導(dǎo)熱系數(shù)限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，同時實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱、高相變焓和良好形狀穩(wěn)定性的復(fù)合PCM仍然具有挑戰(zhàn)性。
蘭州大學(xué)拜永孝教授團(tuán)隊在用于熱管理的復(fù)合相變材料方面取得了最新研究進(jìn)展。針對相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低、易泄漏、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，該團(tuán)隊提出通過構(gòu)建仿生葉脈狀三維(3D)結(jié)構(gòu)的氮化硼(BN)并浸漬聚乙二醇(PEG)制備相變復(fù)合材料，該材料在低填料含量下，綜合性能得到了明顯提高。在紅外攝像機(jī)下復(fù)合PCM表現(xiàn)出了優(yōu)異的電池?zé)峁芾硇阅?，這表明該材料在電池?zé)峁芾矸矫婢哂泻艽蟮臐摿Α?/strong>
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.03.021
7、《CEJ》：一種基于高性能智能纖維素雜化氣凝膠纖維的多功能紡織品“High-performance smart cellulose nanohybrid aerogel fibers as a platform toward multifunctional textiles”
智能纖維能夠?qū)ν獠看碳ぃㄈ鐭?、電、機(jī)械和濕度）做出實(shí)時多功能響應(yīng)，并提供電磁干擾屏蔽以及能量存儲/轉(zhuǎn)換功能，是可穿戴電子產(chǎn)品和智能紡織品的基本組成單元?？纱┐麟娮赢a(chǎn)品和智能紡織品作為一種新型通信平臺，在醫(yī)療保健、工作服、運(yùn)動服、能源和軍事等許多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。因此，開發(fā)線材或纖維形式的輕質(zhì)柔性電子設(shè)備并將其集成到紡織品中越來越重要。然而，基于生物質(zhì)材料設(shè)計具有智能化以及集成化功能的柔性高強(qiáng)度智能纖維仍然是一個挑戰(zhàn)。
華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院祁海松教授課題組和贛南師范大學(xué)李星星教授通過濕法紡絲工藝將綜纖維素納米纖維分散在纖維素溶液中，制備了可生物降解的柔性纖維素基雜化氣凝膠智能纖維。其具有高比表面積和三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱和熱管理性能。在添加碳納米管后，材料與熱點(diǎn)裝置耦合后可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可逆的太陽能發(fā)電以及電磁屏蔽性能。總的來說，智能多功能氣凝膠纖維和紡織品有望應(yīng)用于自主戶外旅行和太空探索。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143153
8、《AFM》：聚酰亞胺纖維/石墨烯氣凝膠：原位縮合節(jié)點(diǎn)“焊接”，超彈形變力熱可調(diào)“Hyperelastic Graphene Aerogels Reinforced by In-suit Welding Polyimide Nano Fiber with Leaf Skeleton Structure and Adjustable Thermal Conductivity for Morphology and Temperature Sensing”
石墨烯氣凝膠具有規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)、室溫下的高載流子遷移率和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在柔性觸覺傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于石墨烯片層在反復(fù)壓縮下容易發(fā)生滑動，石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差；并且現(xiàn)有的壓縮應(yīng)變傳感器在應(yīng)力作用下的傳熱性能變化尚不清楚，難以用于檢測真實(shí)溫度，使觸覺傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。
天津大學(xué)封偉教授課題組采用水熱還原和原位焊接的實(shí)驗(yàn)方法，成功制備了一種超彈性聚酰亞胺纖維/石墨烯氣凝膠（PINF/GA），系統(tǒng)性地研究了該復(fù)合氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，并通過簡便的方法將其應(yīng)用于柔性觸覺傳感陣列，測試了其對未知物體形貌和溫度同時感知的能力。研究結(jié)果表明，PINF/GA在柔性觸覺傳感、智能人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該工作解決了三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)動態(tài)熱調(diào)節(jié)能力差和彈性差的問題，可能對具有寬工作溫度范圍的柔性觸覺傳感器的設(shè)計產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
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https://doi.org/10.1007/s42765-023-00268-6
9、《ACS Nano》：自適應(yīng)、可調(diào)控MXene/RGO雜化氣凝膠/相變/熱致變色復(fù)材用于同步實(shí)現(xiàn)可見光和紅外偽裝“Adaptive and Adjustable MXene/Reduced Graphene Oxide Hybrid Aerogel Composites Integrated with Phase-Change Material and Thermochromic Coating for Synchronous Visible/Infrared Camouflages”
近年來，受變色龍和頭足類動物啟發(fā)，仿生可見光偽裝一直被認(rèn)為是偽裝技術(shù)的必要手段。但是，隨著紅外隱身技術(shù)的發(fā)展，所有溫度高于 0 K 的物體都無法逃避紅外波段的探測，即使是可見光偽裝的大師。雖然在可見光或紅外范圍內(nèi)的單波段隱身技術(shù)已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，但是在復(fù)雜多變場景中同時應(yīng)對跨越可見光和紅外光譜的協(xié)同探測仍然具有挑戰(zhàn)。
北京化工大學(xué)于中振教授和楊冬芝教授團(tuán)隊通過將各向異性的MXene/還原氧化石墨烯（RGO）雜化氣凝膠與正十八烷相變材料以及熱致變色油墨相結(jié)合，制備了一種集隔熱，吸熱，光/電熱轉(zhuǎn)換和熱致變色于一體的三層復(fù)合材料（MGPT），實(shí)現(xiàn)了叢林和沙漠場景中同步的紅外和可見光偽裝。該復(fù)合材料通過協(xié)同各向異性氣凝膠的隔熱和正十八烷相變材料的吸熱作用，抑制目標(biāo)向環(huán)境輻射熱量，最大限度地減少可探測的輻射能差，使目標(biāo)與其環(huán)境的紅外圖像相融合。此外，源于RGO和MXene的光/電熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)不僅能夠提高復(fù)合材料的表面溫度使其與背景的高溫相匹配，同時能夠驅(qū)動顏色變化以適應(yīng)周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)紅外和可見光波段的雙重偽裝。例如，在夜間，復(fù)合材料利用隔熱和吸熱作用減小目標(biāo)表面與其背景之間的輻射能量差，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在紅外波段的不可見性。在叢林中，除了紅外隱身外，綠色的外觀可以使目標(biāo)在白天與周圍環(huán)境難以區(qū)分。當(dāng)移動到灼熱的沙漠后，在太陽光加熱和熱致變色的幫助下，復(fù)合材料自適應(yīng)地提高表面溫度，同時伴隨著從綠色到黃色的顏色變化，將目標(biāo)隱藏于環(huán)境的紅外圖像和沙土背景中。這項研究為設(shè)計用于對抗復(fù)雜場景下多頻段監(jiān)測的具有自適應(yīng)和可調(diào)控的一體化偽裝材料提供了有前途的策略。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00573
10、《CEJ》：受“蜘蛛網(wǎng)”啟發(fā)的高性能交聯(lián)聚酰亞胺氣凝膠“Versatile spider-web-like cross-linked polyimide aerogel with tunable dielectric permittivity for highly sensitive flexible sensors”
聚酰亞胺氣凝膠作為一種高性能工程材料，由于富含空氣而表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱和低介電特性，廣泛用于微電子工業(yè)領(lǐng)域。然而，常見的線性聚酰亞胺氣凝膠在冷凍干燥和亞胺化過程中體積穩(wěn)定性較差，易造成合成過程中樣品的體積收縮和結(jié)構(gòu)坍塌。因此，設(shè)計合成一種具有穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的低介電-高隔熱聚酰亞胺氣凝膠是促進(jìn)微電子工業(yè)的發(fā)展的有效路徑。
北京科技大學(xué)查俊偉教授課題組設(shè)計了一種含有“類蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚酰亞胺氣凝膠 （CPA）。區(qū)別于傳統(tǒng)的聚酰亞胺氣凝膠，這種基于仿生策略獲得的交聯(lián)聚酰亞胺氣凝膠實(shí)現(xiàn)了低介電-高隔熱-高傳感多重性能的協(xié)調(diào)聯(lián)控，設(shè)計合成的交聯(lián)聚酰亞胺氣凝膠可作為電子器件的理想襯底材料，為未來電介質(zhì)材料的設(shè)計與研發(fā)提供了新思路，促進(jìn)了聚酰亞胺在微電子工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143034
