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中科院苏州纳米所张学同团队 Nat. Commun.：两次凝胶化策略制备构型可编辑的高强度气凝胶
2023-12-22  来源：高分子科技
关键词：两次凝胶化 构型可编辑 高强度 气凝胶

  轻质多孔气凝胶作为纳米材料中的明星材料之一，近年来在各种新兴领域受到了广泛关注。但由于其密度低、力学性能弱，使得其构型编辑能力面临挑战。


  鉴于此，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度气凝胶的制备。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。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1. 两次凝胶化策略制备可编辑的高强气凝胶设计示意图。


  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2） 


图2. 俩次凝胶化过程及机理研究。


  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。值得注意的是，气凝胶的比拉伸模量和韧性分别高达666 MPa cm3 g-1和2093 kJ m-3, 具有高比拉伸模量和高韧性的双重性质。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3） 


图3. 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。(图4) 


图4.气凝胶构型编辑及力学性能突破。


  通过特定的构型设计，气凝胶的隔热性能可进一步提高，同时将气凝胶的应用从传统领域扩展到可调节热管理器件、刺激响应形状记忆器件等新领域。该研究为构型可编辑气凝胶的设计提供了重要见解，有望推动具有特殊构型高强度多孔材料的发展。（图5） 


图5. 构型可编辑气凝胶的应用。


  该工作以“Folk arts-inspired twice-coagulated configuration-editable tough aerogels enabled by transformable gel precursors”为题，发表在国际知名期刊《Nat. Commun.》上。文章第一作者是中科院苏州纳米所李立山博士，通讯作者为张学同研究员，合作者包括青岛科技大学的马风国博士。该工作获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等资助。


  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44156-4

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（责任编辑：xu）
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