來源 | Nature Communication

01

背景介紹

自然界是一個充滿美麗和神秘的世界，它包含了許多驚人的幾何結(jié)構(gòu)。這些構(gòu)型不僅具有豐富的信息，而且具有深刻的科學意義。形態(tài)編輯伴隨著整個人類文明的發(fā)展，如石器的磨制、青銅器和陶器的建造、棉麻織物的編織等。在材料科學中，組態(tài)編輯在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計和功能實現(xiàn)中起著重要的作用。例如，形狀記憶材料(SMMs)包括聚合物、陶瓷、合金等，可以在刺激下從程序結(jié)構(gòu)恢復到初始結(jié)構(gòu)，在柔性電子、軟機器人、4D打印等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力；液晶彈性體(LCEs)是一類著名的刺激響應聚合物，通過其輕微交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡具有大而可逆的構(gòu)型變化，在機器人、微流體、光學和能源領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

氣凝膠作為眾所周知的多孔固體納米材料，具有極低密度、超低導熱系數(shù)、高比表面積、強吸附能力等特點，已發(fā)展成為一種理想的材料家族，應用于隔熱、儲能、催化、傳感器、環(huán)境修復等各種新興領(lǐng)域。氣凝膠粉、氣凝膠氈、氣凝膠纖維、氣凝膠膜、氣凝膠單體等結(jié)構(gòu)簡單的氣凝膠已經(jīng)得到了大量的研究，但迫切需要具有復雜結(jié)構(gòu)的氣凝膠來突破性能極限，拓展應用領(lǐng)域。

受民間藝術(shù)的啟發(fā)，通過折紙、編織、陶塑等形態(tài)編輯，制作具有復雜形態(tài)的氣凝膠應該是一種可行的方法。然而，由于氣凝膠密度低、力學性能弱、抗機械疲勞能力低，無法進行折疊、拉伸、壓縮、變形等多次編輯處理，直接對其進行構(gòu)型編輯無疑是一項挑戰(zhàn)。因此，尋找一種間接制備復雜構(gòu)型氣凝膠的方法是解決上述問題的關(guān)鍵。

02

成果掠影

近期，中國科學院蘇州納米所張學同團隊受民間藝術(shù)（陶藝、折紙、編織）啟發(fā)，建立了一種高效的兩次凝膠化(TC)策略，實現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強氣凝膠的制備。本文建立了一種高效的二次凝膠化（TC）策略，實現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強氣凝膠的制備。作為概念驗證，選擇芳綸納米纖維(ANFs)和聚乙烯醇(PVA)作為氣凝膠的主要成分，其中PVA在第一次凝膠化過程中形成彈性的構(gòu)型可編輯凝膠網(wǎng)絡，ANF在第二次凝膠化過程中形成構(gòu)型鎖定凝膠網(wǎng)絡。TC策略保證了所制備的ANF-PVA (AP)氣凝膠既具有高韌性，又具有構(gòu)型編輯能力。綜上所述，通過軟-硬調(diào)制得到具有特殊構(gòu)型的堅韌氣凝膠，為突破氣凝膠的性能限制，拓展氣凝膠的應用領(lǐng)域提供了巨大的機會。研究成果以“Folk arts-inspired twice-coagulated configuration-editable tough aerogels enabled by transformable gel precursors”為題發(fā)表于《Nature Communication》。

03

圖文導讀

圖1.兩次凝膠化策略制備可編輯的高強氣凝膠設計示意圖。

TC策略保證了所制備的ANF-PVA (AP)氣凝膠既具有高韌性，又具有構(gòu)型編輯能力。所得特殊構(gòu)型產(chǎn)物能夠突破氣凝膠的性能限制，大大拓展氣凝膠的應用領(lǐng)域。(圖1)

圖2. 兩次凝膠化過程及機理研究。

機理研究表明，在兩次凝膠化過程中發(fā)生了分步凝膠化的現(xiàn)象。在第一次凝膠化過程中，PVA凍融后形成低交聯(lián)密度彈性有機凝膠網(wǎng)絡，在第二次凝膠化過程中，ANF發(fā)生質(zhì)子化，ANF-ANF、PVA-ANF、PVA-PVA之間形成多重分子間相互作用，進而形成牢固的高交聯(lián)密度水凝膠網(wǎng)絡。

圖3.AP有機凝膠、水凝膠和氣凝膠的力學性能比較。

隨著凝膠網(wǎng)絡從有機凝膠、水凝膠到氣凝膠的演化，力學性能顯著增強。例如，AP-23有機凝膠、AP-23水凝膠和AP-23氣凝膠的抗壓強度和拉伸強度依次增大，壓縮模量分別為0.014 MPa、1.5 MPa和30 MPa。拉伸模量分別為0.12 MPa、2.1MPa和87 MPa。結(jié)構(gòu)分析表明有機凝膠、水凝膠、尤其是氣凝膠的強度增強主要是由于TC過程中交聯(lián)密度的增加和氣凝膠的骨架演化。

圖4. AP有機凝膠、水凝膠和氣凝膠的力學性能比較。

溶膠-凝膠過程和凝膠力學性能的有效調(diào)節(jié)為通過“軟變硬”調(diào)制機制進行構(gòu)型編輯、構(gòu)型鎖定和制造復雜構(gòu)型的高強氣凝膠奠定了基礎。更具體地說，構(gòu)型編輯基于有機凝膠的柔韌性，易于變形和恢復。構(gòu)型鎖定依賴于從有機凝膠到水凝膠的力學增強。最后，通過溶劑交換和超臨界干燥，制備出具有復雜構(gòu)型的高強度氣凝膠。通過結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)調(diào)控，具有復雜構(gòu)型的氣凝膠能夠突破其力學性能極限。例如，彈簧氣凝膠可以自由變形，具有良好的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)彈性。線圈氣凝膠在1000%的拉伸應變下快速回彈，回彈率至少達到90%，其拉伸比可高達7000%，遠遠優(yōu)于斷裂伸長率只有25%的線形氣凝膠。

圖5.構(gòu)型可編輯氣凝膠的應用。

通過特定的構(gòu)型設計，氣凝膠的隔熱性能可進一步提高，同時將氣凝膠的應用從傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到可調(diào)節(jié)熱管理器件、刺激響應形狀記憶器件等新領(lǐng)域。該研究為構(gòu)型可編輯氣凝膠的設計提供了重要見解，有望推動具有特殊構(gòu)型高強度多孔材料的發(fā)展。

END

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