作为世界上最轻的材料之一,气凝胶被广泛应用于保温隔热、电磁屏蔽、环境保护等领域。然而,由于其强度较低,在某些特定环境中的应用受到严重限制。天然材料精致的结构和优异的特性为改善气凝胶的性能提供了指导。尽管仿生气凝胶作为一种新兴的材料已经受到研究人员的广泛关注,然而,到目前为止与仿生气凝胶材料相关的综述论文寥寥无几。
图4 仿生气凝胶材料未来的发展。
挑战与展望
本文对仿生气凝胶材料的类别、制备方法以及应用领域进行了全方位的总结和归纳,并分析了从生物材料过渡到仿生气凝胶材料的重要方法。通过集中讨论仿生气凝胶材料的基本特性,希望为该领域的发展提供一个简明概要。为促进仿生气凝胶材料的发展,本文提出了仿生气凝胶材料在科学研究中所存在的挑战及解决策略。
首先,由于生物材料的固有特性难以复制,通过模仿生物材料得到的仿生气凝胶要获得与生物材料完全相同的特性具有很大的挑战性。对于仿生高强度各向异性气凝胶而言,揭示其力学性能与取向结构之间的关系、建立理论模型、实现气凝胶网络在分子、微纳米尺度上的精确设计仍需进一步探索。在仿生的异质复合气凝胶体系中,设计异质界面分子的相互作用仍然是一项艰巨而富有挑战性的任务。从生物材料的微观结构入手,精确模仿这些结构并更深入地挖掘其具有特殊功能的机理,是未来制备多功能仿生气凝胶材料的关键。
此外,尽管近年来仿生气凝胶的制备工艺正在逐步优化,应用领域也更加广泛,但在材料的成型和干燥过程中,传统的超临界干燥和真空冷冻干燥仍然不可或缺。这一过程不仅耗时,而且严重依赖于设备。因此,简化气凝胶的制备工艺、缩短其生产周期、提高其制备效率是未来仿生气凝胶材料发展的重要方向。
最后,与传统隔热保温材料相比,仿生气凝胶材料虽优势明显,但生产成本较高,价格昂贵。有效降低仿生气凝胶材料的成本,一方面有赖于制备工艺的突破,另一方面要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
原文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta00851k
- 浙江大学姚克、韩海杰团队 Sci. Adv.:基底膜仿生水凝胶促进角膜损伤少瘢痕化愈合 2024-12-23
- 北大杨槐/北科大王茜/江西师大兰若尘团队 AFM:从仿生花到智能夹具 - 双重响应性驱动器的多元应用 2024-12-16
- NCSU尹杰、UVA董海波团队 Sci. Adv.:快速且灵活 – 可穿越障碍的机器鱼 2024-12-08
- 苏州纳米所张学同团队 Adv. Mater.:在气凝胶超黑材料领域取得重要进展 2024-12-17
- 扬州大学吴德峰团队 Small:共价有机框架气凝胶的多级结构的构筑 2024-12-13
- 北化汪晓东教授团队 Adv. Sci.:三明治结构的氟化聚酰亚胺气凝胶/石蜡相变复合材料用于同时实现梯度热防护和透波性能 2024-12-09
- 中科院上海硅酸盐所朱英杰团队 Small: 具有低水蒸发焓的有序垂直孔道结构仿生气凝胶用于高效太阳能海水淡化和污水净化 2023-02-19