蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)Progress in Materials Science：3D打印膠體氣凝膠綜述
自1931年Kistler開創(chuàng)性提出氣凝膠概念以來，氣凝膠相關(guān)研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢(shì)。作為一種具有三維固體網(wǎng)絡(luò)和連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵納米材料，氣凝膠展現(xiàn)出超低密度、超高孔隙率、極高比表面積和極低熱導(dǎo)率等一系列獨(dú)特性能，已在材料科學(xué)、溶膠-凝膠化學(xué)、物理學(xué)以及生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科中取得了顯著進(jìn)展。然而，氣凝膠本征的機(jī)械脆性導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和功能可設(shè)計(jì)性受限。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)加工方法的局限，輕松實(shí)現(xiàn)氣凝膠宏觀形態(tài)定制化、多級(jí)結(jié)構(gòu)可控化、功能組件集成化，賦予了氣凝膠更優(yōu)越的質(zhì)能傳輸性能，并拓展了其在能源存儲(chǔ)、熱管理、催化、電磁屏蔽、沖擊防護(hù)、環(huán)境治理、傳感、生物工程等領(lǐng)域的高效應(yīng)用。
中國科學(xué)院蘇州納米所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于氣凝膠的設(shè)計(jì)、制備及功能應(yīng)用（Science,2023,382,1358-1359；Nature Water,2024,2,899-910；Nature Communications,2023,14,8450；Advanced Materials,2024,36,2406007；Advanced Materials,2024,36,2400101等）。團(tuán)隊(duì)在3D打印氣凝膠方面開展了一系列代表性研究工作：采用了冷凍-直寫3D打印技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了芳綸氣凝膠的可打印性（Journal of Materials Chemistry A,2020,8,14243；Small Methods,2023,7,2300002），發(fā)展了微凝膠輔助3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芳綸氣凝膠的空間打印性（ACS Nano,2022,16,4905），提出了級(jí)聯(lián)微流控3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芳綸納米纖維墨水的連續(xù)化打印成型（Advanced Materials,2024,36,2400101），并探索了打印的氣凝膠在多功能改性、高速?zèng)_擊防護(hù)、熱防護(hù)、醫(yī)用止血等領(lǐng)域的應(yīng)用性能（Advanced Healthcare Materials,2023,12,2201591；Advanced Fiber Materials,2023,5,1050-1062；Chemical Engineering Journal,2023,462,142249）。
近期，團(tuán)隊(duì)發(fā)表了3D打印膠體氣凝膠綜述，旨在系統(tǒng)闡釋這一交叉學(xué)科領(lǐng)域的最新進(jìn)展。眾所周知，氣凝膠的合成方法可分為兩類：一是以小分子前驅(qū)體為起始材料，經(jīng)水解-縮合反應(yīng)和干燥過程得到，二是以不同維度（0D、1D、2D）的納米構(gòu)筑單元為起始材料，通過分散-穩(wěn)定-失穩(wěn)過程和干燥過程得到。該綜述首先根據(jù)起始材料和組裝策略的不同，將前者制得的氣凝膠定義為“分子氣凝膠”，而將后者定義為“膠體氣凝膠”（圖1）。與分子氣凝膠相比，膠體氣凝膠有以下優(yōu)勢(shì)：（1）膠體氣凝膠的動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變更容易與目前濕法成型工藝相兼容；（2）納米構(gòu)筑單元種類豐富，具有多種尺寸、形狀、組成和性能，選擇范圍廣；（3）納米構(gòu)筑單元能夠借助現(xiàn)有的凝膠化策略輕松實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。?
圖1. （a）分子氣凝膠與膠體氣凝膠的組裝策略。(b) 傳統(tǒng)濕法成型工藝中分子氣凝膠和膠體氣凝膠的動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變示意圖
隨后，該綜述首次從膠體化學(xué)的角度深入總結(jié)了3D打印膠體氣凝膠的最新進(jìn)展，包括發(fā)展時(shí)間線、關(guān)鍵工序、打印策略、種類、限域功能化、性能、應(yīng)用（圖2）。
圖2. 3D打印膠體氣凝膠的關(guān)鍵工序、種類、限域功能化及應(yīng)用
特別地，該綜述詳細(xì)闡述了直寫3D打印過程中（墨水在針頭中的順利擠出過程和擠出后的成型過程）的打印熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)（圖3）；根據(jù)墨水溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，將打印過程分為溶膠打印、溶膠-凝膠打印和凝膠打?。▓D4），并系統(tǒng)總結(jié)了各個(gè)打印策略的優(yōu)缺點(diǎn)；此外，探討了3D打印膠體氣凝膠的限域功能化設(shè)計(jì)策略（圖5）。
圖3.?直寫成型3D打印過程的打印熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)
圖4.?溶膠打印、溶膠-凝膠打印和凝膠打印制備膠體氣凝膠
圖5. 3D打印膠體氣凝膠限域功能化材料設(shè)計(jì)原則
最后，該綜述在如何實(shí)現(xiàn)超高速打印、如何實(shí)現(xiàn)多組分打印、如何實(shí)現(xiàn)全連續(xù)打印，以及應(yīng)用導(dǎo)向的氣凝膠結(jié)構(gòu)/性能協(xié)同設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)方面等進(jìn)行了展望，以期為相關(guān)研究人員提供新的靈感（圖6）。
圖6.?3D打印膠體氣凝膠的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來機(jī)遇
該綜述文章以3D Printed Colloidal Aerogels: Principle,Process,Performance,and Perspective為題發(fā)表在國際期刊Progress in Materials Science上，中國科學(xué)院蘇州納米所程青青副研究員為論文第一作者，張學(xué)同研究員為論文通訊作者，該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金以及蘇州市科技計(jì)劃等資助。
附件下載：
