中國粉體網訊  氣凝膠是一種輕質多孔的納米材料，在航空航天、國防等高技術領域及建筑、工業(yè)管道保溫等民用領域都有極其廣泛的應用前景。根據其孔壁材料的組分屬性進行劃分，可以把氣凝膠分為無機氣凝膠（如目前唯一商業(yè)化的氧化硅氣凝膠）、有機高分子氣凝膠（如酚醛樹脂氣凝膠等）和碳氣凝膠這三大類。如何通過結構設計、化學組裝和化工工藝等手段，獲得新型高性能/多功能的氣凝膠材料，仍然是該領域所面臨的重要基礎研究課題之一。

　　最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同領導的氣凝膠團隊與北京理工大學的科研人員合作，在高分子氣凝膠領域獲得了系列新進展。

　　首先，將零維、一維或二維納米材料均勻分散于液體介質中，只要其濃度處于合適范圍內，納米顆粒即可相互接觸形成動態(tài)網絡。選擇與納米顆粒界面有相互作用的第二組分，引入初級網絡體系中。此時，第二組分將優(yōu)先吸附于納米顆粒的表面。隨后，引發(fā)第二組分的原位聚合/固化/交聯(lián)，以實現(xiàn)對初級網絡的“共形”包覆。這樣，由納米顆粒形成的動態(tài)網絡隨即被固定下來。再通過冷凍干燥或超臨界干燥的方法將溶劑除去，即得到彈性多孔的氣凝膠三維材料。這種新型的氣凝膠制備技術可稱之為“初級網絡共形生長”技術。中科院蘇州納米所和北京理工大學的科技人員緊密合作，共同提出了此項制備氣凝膠的新技術，并用于制備彈性的聚吡咯氣凝膠和聚吡咯/銀共軸納米線氣凝膠，獲得了具有“零”電阻溫度系數（TCR）的理想傳感材料（如圖1所示）。以此氣凝膠材料所構建“溫度自補償”壓力傳感器具有高穩(wěn)定性（TCR≤0.86 × 10-3 /οC）、高靈敏度（0.33 kPa-1）、短響應時間（1 ms）、低檢測限（4.93 Pa）等優(yōu)點。此外，這些氣凝膠材料也可以加工成為壓敏型智能焦耳加熱器。這些研究成果已經發(fā)表在ACS Nano 2015, 9, 4244-4251和Scientific Reports 4: 4792上。

　　其次，通過在水溶性高分子水凝膠中引入結晶相作為物理交聯(lián)點和力學增強骨架，制備出了一種基于主-客體包結物的氣凝膠——α-環(huán)糊精與聚乙二醇超分子聚準輪烷氣凝膠。從結構上看，這種氣凝膠是由獨特的二維類石墨烯片層三維組裝而成；與此同時，通過調節(jié)環(huán)糊精與聚乙二醇的摩爾配比和濃度，能夠實現(xiàn)片層結構的大小及結晶結構的簡單控制。這些研究工作表明，以超分子水凝膠為前驅體，通過超臨界流體技術，完全可以制備出一種全新的氣凝膠：超分子氣凝膠！由于此氣凝膠骨架為不熔的管道結晶結構包覆一層聚乙二醇結晶層，熱學穩(wěn)定性好，且未參與管道結晶的聚乙二醇是一種優(yōu)異的相變儲能材料，因此獲得的超分子氣凝膠可作為一種新型多功能的固-固態(tài)相變儲能材料。也就是說，通過把隔熱性能優(yōu)異的氣凝膠材料與相變儲能材料有機地融合于一體，在保溫隔熱的同時，材料自身能夠吸收和儲存能量，并在合適的時機釋放儲存的能量，因而能夠實現(xiàn)能量的最大化利用（如圖2所示）。這項研究成果已經在線發(fā)表在美國化學會雜志ACS Nano 上。(DOI: 10.1021/acsnano.5b05281)。

　　這些工作得到了國家自然科學基金（51572285，21373024，21404117）、江蘇省自然科學基金（BK20151234，BK20140391）、江蘇省博士后基金（1401066C）和中科院百人計劃的大力支持。

圖1 聚吡咯/銀共軸納米線復合氣凝膠的應力傳感特性


圖2 超分子氣凝膠結構及其相變儲能-隔熱保溫示意圖