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 世界上最輕的固體

說到凝膠，第一印象就是由高濃度溶液/溶膠失去流動性后形成的彈性半固體。沒錯，這是凝膠的常見狀態(tài)。但如果我們把液體換成氣體呢？被氣體填充的凝膠就變成了氣凝膠，其密度極低，最低可低至0.16mg/cm3，僅為空氣密度的1/6，因此也是世界上最輕的固體的材料。把這種材料放在花朵上，柔軟的花蕊幾乎不會變形。那么問題來了，如此輕的材料可以發(fā)揮什么作用呢？盡管氣凝膠很輕，但其具有多孔結構特點，可產(chǎn)生優(yōu)異的隔熱性能，同時氣凝膠還可有望作為新型海綿材料在吸油等方面發(fā)揮作用。

力學性能限制氣凝膠的開發(fā)使用在眾多物理性質(zhì)中，機械響應性質(zhì)是限制氣凝膠發(fā)展的重要因素。目前的研究特別關注氣凝膠的壓縮性和彈性性質(zhì)，因為形變恢復能力對于發(fā)展氣凝膠在水處理、隔熱/聲等方面的應用非常關鍵。雖然關于超彈性氣凝膠的研究已見報道，但其復雜的合成過程以及紡絲加工難度依然限制了超彈性氣凝膠的開發(fā)。此外，目前的研究也尚未提出設計制備各向同性超彈性纖維素納米纖絲（CNF）氣凝膠的有效策略。新型策略制備功能強大的超彈性CNF氣凝膠近期，加拿大英屬哥倫比亞大學的Jiang Feng 等人報道了報道了一種雙重冰模板組裝（DITA）策略，可以控制CNF的組裝以形成亞微米纖維，并進一步組裝形成彈性氣凝膠。這一氣凝膠不僅可展現(xiàn)各向同性超彈性行為，其通過簡單改性還可具備超疏水、高液體吸收、自清潔、隔熱以及紅外屏蔽等功能。研究認為，這一新型DITA策略可為超彈性氣凝膠的設計提供新的思路，并有望推動高性能氣凝膠的應用發(fā)展。相關工作以“Multifunctional Superelastic Cellulose Nanofibrils Aerogel by Dual Ice-Templating Assembly”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

一、DITA制備超彈性CNF氣凝膠在一般的制備過程，改變冷干條件會對氣凝膠的組裝形貌產(chǎn)生巨大的影響。考慮到這一現(xiàn)象，作者在DITA策略中首先在-196℃下將CNFs（寬度為3-5納米、長度為500-1000納米）組裝成具有一定彈性的連續(xù)亞微米纖維（寬度為100-200納米）；隨后再在-20℃下進一步冷干亞微米纖維，使其形成塊體彈性得到顯著強化的分級層狀纖維結構氣凝膠（圖1）。氮氣吸附-解吸附實驗表明，所制得的氣凝膠具有典型的IV型吸附等溫線，其比表面積和孔容可分別達到34.1 m2 g−1和0.133 m3 g−1。

圖1 DITA制備過程示意圖

二、超彈性CNF氣凝膠的疏水改性為了提高CNF氣凝膠的溶液穩(wěn)定性和疏水性，作者進一步利用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）的化學氣相沉積法對氣凝膠進行改性。經(jīng)過硅烷改性后，由于存在非極性的甲基基團，MTMS-CNF氣凝膠展現(xiàn)出了高度疏水性質(zhì)，但同時對非極性的有機溶劑依然維持良好的吸收作用。實驗測量發(fā)現(xiàn)，MTMS-CNF氣凝膠的頂面具有高達164.2°的水分子接觸角，而在側面甚至內(nèi)部也展現(xiàn)出了高接觸角行為，這表明該改性氣凝膠具有超疏水性質(zhì)和自清潔能力。憑借這一疏水特性，MTMS-CNF氣凝膠可在水分子上選擇性地移除油分子，從而發(fā)揮油水分離作用（圖2）。更加深入的液體吸收實驗也表明，該氣凝膠對多種油類和有機溶劑均展現(xiàn)出了巨大的吸收能力，其吸收量最高可達自身重量的489倍之多，在環(huán)境修復方面具有非常可觀的應用前景。

圖2 MTMS-CNF氣凝膠的疏水和吸油性質(zhì)研究

三、性能表現(xiàn)力學性質(zhì)測試顯示，MTMS-CNF氣凝膠可被壓縮超過80%的應變，展現(xiàn)出了優(yōu)異的柔韌性和非脆性。循環(huán)應力-應變曲線測試則表明，在多達數(shù)十次的循環(huán)后，氣凝膠依然能展現(xiàn)出良好的彈性。其在50次循環(huán)測試后，不可恢復的應變低至8.2%，并且最終應力可維持在首次循環(huán)的水平，這也說明氣凝膠的微觀結構在循環(huán)測試結束后依然得以保留（圖3）。

圖3 超彈性CNF氣凝膠的力學性質(zhì)

此外，憑借低密度和多孔的內(nèi)部結構特點，該氣凝膠還展現(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱性能。研究顯示，氣凝膠的熱導率與CNF的初始濃度相關，當CNF的濃度增加時，氣凝膠中通過固體網(wǎng)絡的熱傳導也會增加。因此，可通過調(diào)整CNF濃度來優(yōu)化氣凝膠的熱導率。實驗發(fā)現(xiàn)，當CNF濃度為0.2%時，所制備的氣凝膠的熱導率可低至0.023 W (mK)−1，甚至低于空氣的熱導率（0.025 W (mK)−1），展現(xiàn)出了良好的隔熱性能（圖4）。不僅如此，由于低熱導率和多孔結構的存在，這一CNF氣凝膠還可用于抑制紅外傳輸，發(fā)揮紅外屏蔽作用。

圖4 超彈性CNF氣凝膠的熱學性質(zhì)