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 世界上最輕的固體

說(shuō)到凝膠，第一印象就是由高濃度溶液/溶膠失去流動(dòng)性后形成的彈性半固體。沒(méi)錯(cuò)，這是凝膠的常見(jiàn)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(huì)變形。那么問(wèn)題來(lái)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可產(chǎn)生優(yōu)異的隔熱性能，同時(shí)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(xué)性能限制氣凝膠的開(kāi)發(fā)使用在眾多物理性質(zhì)中，機(jī)械響應(yīng)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(guān)注氣凝膠的壓縮性和彈性性質(zhì)，因?yàn)樾巫兓謴?fù)能力對(duì)于發(fā)展氣凝膠在水處理、隔熱/聲等方面的應(yīng)用非常關(guān)鍵。雖然關(guān)于超彈性氣凝膠的研究已見(jiàn)報(bào)道，但其復(fù)雜的合成過(guò)程以及紡絲加工難度依然限制了超彈性氣凝膠的開(kāi)發(fā)。此外，目前的研究也尚未提出設(shè)計(jì)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(qiáng)大的超彈性CNF氣凝膠近期，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的Jiang Feng 等人報(bào)道了報(bào)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(jìn)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(guò)簡(jiǎn)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(rèn)為，這一新型DITA策略可為超彈性氣凝膠的設(shè)計(jì)提供新的思路，并有望推動(dòng)高性能氣凝膠的應(yīng)用發(fā)展。相關(guān)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(guò)程，改變冷干條件會(huì)對(duì)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(zhǎng)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(jìn)一步冷干亞微米纖維，使其形成塊體彈性得到顯著強(qiáng)化的分級(jí)層狀纖維結(jié)構(gòu)氣凝膠（圖1）。氮?dú)馕?解吸附實(shí)驗(yàn)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(dá)到34.1 m2 g−1和0.133 m3 g−1。

圖1 DITA制備過(guò)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(jìn)一步利用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）的化學(xué)氣相沉積法對(duì)氣凝膠進(jìn)行改性。經(jīng)過(guò)硅烷改性后，由于存在非極性的甲基基團(tuán)，MTMS-CNF氣凝膠展現(xiàn)出了高度疏水性質(zhì)，但同時(shí)對(duì)非極性的有機(jī)溶劑依然維持良好的吸收作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，MTMS-CNF氣凝膠的頂面具有高達(dá)164.2°的水分子接觸角，而在側(cè)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(shí)驗(yàn)也表明，該氣凝膠對(duì)多種油類和有機(jī)溶劑均展現(xiàn)出了巨大的吸收能力，其吸收量最高可達(dá)自身重量的489倍之多，在環(huán)境修復(fù)方面具有非常可觀的應(yīng)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(xué)性質(zhì)測(cè)試顯示，MTMS-CNF氣凝膠可被壓縮超過(guò)80%的應(yīng)變，展現(xiàn)出了優(yōu)異的柔韌性和非脆性。循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試則表明，在多達(dá)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(cè)試后，不可恢復(fù)的應(yīng)變低至8.2%，并且最終應(yīng)力可維持在首次循環(huán)的水平，這也說(shuō)明氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)在循環(huán)測(cè)試結(jié)束后依然得以保留（圖3）。

圖3 超彈性CNF氣凝膠的力學(xué)性質(zhì)

此外，憑借低密度和多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(dǎo)率與CNF的初始濃度相關(guān)，當(dāng)CNF的濃度增加時(shí)，氣凝膠中通過(guò)固體網(wǎng)絡(luò)的熱傳導(dǎo)也會(huì)增加。因此，可通過(guò)調(diào)整CNF濃度來(lái)優(yōu)化氣凝膠的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CNF濃度為0.2%時(shí)，所制備的氣凝膠的熱導(dǎo)率可低至0.023 W (mK)−1，甚至低于空氣的熱導(dǎo)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(dǎo)率和多孔結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)