两次凝胶化策略制备构型可编辑的高强度气凝胶

热管理博览会 2023年12月25日浏览：1050

来源 | Nature Communication

背景介绍

自然界是一个充满美丽和神秘的世界，它包含了许多惊人的几何结构。这些构型不仅具有丰富的信息，而且具有深刻的科学意义。形态编辑伴随着整个人类文明的发展，如石器的磨制、青铜器和陶器的建造、棉麻织物的编织等。在材料科学中，组态编辑在产品的结构设计和功能实现中起着重要的作用。例如，形状记忆材料(SMMs)包括聚合物、陶瓷、合金等，可以在刺激下从程序结构恢复到初始结构，在柔性电子、软机器人、4D打印等领域显示出巨大的潜力；液晶弹性体(LCEs)是一类著名的刺激响应聚合物，通过其轻微交联的聚合物网络具有大而可逆的构型变化，在机器人、微流体、光学和能源领域发挥着关键作用。

气凝胶作为众所周知的多孔固体纳米材料，具有极低密度、超低导热系数、高比表面积、强吸附能力等特点，已发展成为一种理想的材料家族，应用于隔热、储能、催化、传感器、环境修复等各种新兴领域。气凝胶粉、气凝胶毡、气凝胶纤维、气凝胶膜、气凝胶单体等结构简单的气凝胶已经得到了大量的研究，但迫切需要具有复杂结构的气凝胶来突破性能极限，拓展应用领域。

受民间艺术的启发，通过折纸、编织、陶塑等形态编辑，制作具有复杂形态的气凝胶应该是一种可行的方法。然而，由于气凝胶密度低、力学性能弱、抗机械疲劳能力低，无法进行折叠、拉伸、压缩、变形等多次编辑处理，直接对其进行构型编辑无疑是一项挑战。因此，寻找一种间接制备复杂构型气凝胶的方法是解决上述问题的关键。

成果掠影

近期，中国科学院苏州纳米所张学同团队受民间艺术（陶艺、折纸、编织）启发，建立了一种高效的两次凝胶化(TC)策略，实现构型可编辑高强气凝胶的制备。本文建立了一种高效的二次凝胶化（TC）策略，实现构型可编辑高强气凝胶的制备。作为概念验证，选择芳纶纳米纤维(ANFs)和聚乙烯醇(PVA)作为气凝胶的主要成分，其中PVA在第一次凝胶化过程中形成弹性的构型可编辑凝胶网络，ANF在第二次凝胶化过程中形成构型锁定凝胶网络。TC策略保证了所制备的ANF-PVA (AP)气凝胶既具有高韧性，又具有构型编辑能力。综上所述，通过软-硬调制得到具有特殊构型的坚韧气凝胶，为突破气凝胶的性能限制，拓展气凝胶的应用领域提供了巨大的机会。研究成果以“Folk arts-inspired twice-coagulated configuration-editable tough aerogels enabled by transformable gel precursors”为题发表于《Nature Communication》。

图文导读

图1.两次凝胶化策略制备可编辑的高强气凝胶设计示意图。

TC策略保证了所制备的ANF-PVA (AP)气凝胶既具有高韧性，又具有构型编辑能力。所得特殊构型产物能够突破气凝胶的性能限制，大大拓展气凝胶的应用领域。(图1)

图2. 两次凝胶化过程及机理研究。

机理研究表明，在两次凝胶化过程中发生了分步凝胶化的现象。在第一次凝胶化过程中，PVA冻融后形成低交联密度弹性有机凝胶网络，在第二次凝胶化过程中，ANF发生质子化，ANF-ANF、PVA-ANF、PVA-PVA之间形成多重分子间相互作用，进而形成牢固的高交联密度水凝胶网络。

图3.AP有机凝胶、水凝胶和气凝胶的力学性能比较。

随着凝胶网络从有机凝胶、水凝胶到气凝胶的演化，力学性能显著增强。例如，AP-23有机凝胶、AP-23水凝胶和AP-23气凝胶的抗压强度和拉伸强度依次增大，压缩模量分别为0.014 MPa、1.5 MPa和30 MPa。拉伸模量分别为0.12 MPa、2.1MPa和87 MPa。结构分析表明有机凝胶、水凝胶、尤其是气凝胶的强度增强主要是由于TC过程中交联密度的增加和气凝胶的骨架演化。

图4. AP有机凝胶、水凝胶和气凝胶的力学性能比较。

溶胶-凝胶过程和凝胶力学性能的有效调节为通过“软变硬”调制机制进行构型编辑、构型锁定和制造复杂构型的高强气凝胶奠定了基础。更具体地说，构型编辑基于有机凝胶的柔韧性，易于变形和恢复。构型锁定依赖于从有机凝胶到水凝胶的力学增强。最后，通过溶剂交换和超临界干燥，制备出具有复杂构型的高强度气凝胶。通过结构设计和参数调控，具有复杂构型的气凝胶能够突破其力学性能极限。例如，弹簧气凝胶可以自由变形，具有良好的拉伸、弯曲和扭转弹性。线圈气凝胶在1000%的拉伸应变下快速回弹，回弹率至少达到90%，其拉伸比可高达7000%，远远优于断裂伸长率只有25%的线形气凝胶。