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中科院蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：兩次凝膠化策略制備構(gòu)型可編輯的高強(qiáng)度氣凝膠
2023-12-22  來源：高分子科技

  輕質(zhì)多孔氣凝膠作為納米材料中的明星材料之一，近年來在各種新興領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。但由于其密度低、力學(xué)性能弱，使得其構(gòu)型編輯能力面臨挑戰(zhàn)。


  鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強(qiáng)度氣凝膠的制備。作為概念驗(yàn)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(luò)，ANF在第二次凝膠化過程中形成構(gòu)型鎖定凝膠網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)用領(lǐng)域。(圖1) 


圖1. 兩次凝膠化策略制備可編輯的高強(qiáng)氣凝膠設(shè)計(jì)示意圖。


  機(jī)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(jī)凝膠網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)而形成牢固的高交聯(lián)密度水凝膠網(wǎng)絡(luò)。（圖2） 


圖2. 倆次凝膠化過程及機(jī)理研究。


  隨著凝膠網(wǎng)絡(luò)從有機(jī)凝膠、水凝膠到氣凝膠的演化，力學(xué)性能顯著增強(qiáng)。例如， AP-23有機(jī)凝膠、AP-23水凝膠和AP-23氣凝膠的抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)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。值得注意的是，氣凝膠的比拉伸模量和韌性分別高達(dá)666 MPa cm3 g-1和2093 kJ m-3, 具有高比拉伸模量和高韌性的雙重性質(zhì)。結(jié)構(gòu)分析表明有機(jī)凝膠、水凝膠、尤其是氣凝膠的強(qiáng)度增強(qiáng)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3） 


圖3. AP有機(jī)凝膠、水凝膠和氣凝膠的力學(xué)性能比較。


  溶膠-凝膠過程和凝膠力學(xué)性能的有效調(diào)節(jié)為通過“軟變硬”調(diào)制機(jī)制進(jìn)行構(gòu)型編輯、構(gòu)型鎖定和制造復(fù)雜構(gòu)型的高強(qiáng)氣凝膠奠定了基礎(chǔ)。更具體地說，構(gòu)型編輯基于有機(jī)凝膠的柔韌性，易于變形和恢復(fù)。構(gòu)型鎖定依賴于從有機(jī)凝膠到水凝膠的力學(xué)增強(qiáng)。最后，通過溶劑交換和超臨界干燥，制備出具有復(fù)雜構(gòu)型的高強(qiáng)度氣凝膠。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)控，具有復(fù)雜構(gòu)型的氣凝膠能夠突破其力學(xué)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(yīng)變下快速回彈，回彈率至少達(dá)到90%，其拉伸比可高達(dá)7000%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于斷裂伸長率只有25%的線形氣凝膠。(圖4) 


圖4.氣凝膠構(gòu)型編輯及力學(xué)性能突破。


  通過特定的構(gòu)型設(shè)計(jì)，氣凝膠的隔熱性能可進(jìn)一步提高，同時將氣凝膠的應(yīng)用從傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到可調(diào)節(jié)熱管理器件、刺激響應(yīng)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(shè)計(jì)提供了重要見解，有望推動具有特殊構(gòu)型高強(qiáng)度多孔材料的發(fā)展。（圖5） 


圖5. 構(gòu)型可編輯氣凝膠的應(yīng)用。


  該工作以“Folk arts-inspired twice-coagulated configuration-editable tough aerogels enabled by transformable gel precursors”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Nat. Commun.》上。文章第一作者是中科院蘇州納米所李立山博士，通訊作者為張學(xué)同研究員，合作者包括青島科技大學(xué)的馬風(fēng)國博士。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等資助。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44156-4

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