蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)Nature Communications：芳綸膠體氣凝膠薄膜的電操縱制備策略
氣凝膠是一類通過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變合成的超輕納米多孔材料，具有極低的密度、極高的比表面積和優(yōu)異的熱絕緣性能，在能源、環(huán)境、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)化學(xué)誘導(dǎo)的溶膠-凝膠過程中分子/溶膠前驅(qū)體無規(guī)隨機(jī)組裝，致使氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能調(diào)控面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，通過在溶膠-凝膠過程中引入外部物理場（如電場、磁場、聲場等），對(duì)高性能分子/溶膠前驅(qū)體進(jìn)行人為操控，將有望實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀尺度上的結(jié)構(gòu)可編程性與性能優(yōu)化，為新一代高性能氣凝膠材料的理性設(shè)計(jì)與應(yīng)用開辟新的可能。
鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種電場操控（Electro-manipulating,EM）?新策略，結(jié)合電泳組裝與電化學(xué)凝膠化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶負(fù)電芳綸納米纖維運(yùn)動(dòng)、取向及凝膠化過程的精準(zhǔn)控制，從而制造出結(jié)構(gòu)明確的微/宏觀芳綸膠體氣凝膠薄膜（圖1）。該工作以Electro-manipulating of negative-charged aramid nanofibers towards micro-to-macro scale colloidal aerogel films為題發(fā)表在Nature Communications上。
圖1 電場操控（EM）策略制備結(jié)構(gòu)化芳綸氣凝膠膜示意圖
具體而言：首先，通過堿/DMSO溶液剝離Kevlar纖維制備帶負(fù)電的芳綸納米纖維分散液；隨后，在直流電場作用下，利用電泳效應(yīng)驅(qū)動(dòng)納米纖維向陽極定向遷移并有序排列；同時(shí)，借助陽極界面電化學(xué)反應(yīng)（DMSO分解產(chǎn)生H?）誘導(dǎo)納米纖維再質(zhì)子化并發(fā)生物理交聯(lián)，最終在陽極表面原位形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠膜。該過程無需添加任何化學(xué)交聯(lián)劑，避免了雜質(zhì)引入，保證了最終氣凝膠的高純度，且凝膠結(jié)構(gòu)與電場參數(shù)（電壓、時(shí)間）直接關(guān)聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)氣凝膠從納米到宏觀尺度的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)調(diào)控提供基礎(chǔ)（圖2）。
圖2?電操控負(fù)電荷芳綸納米纖維遷移、取向、凝膠化
該工作中，所得EM-AC氣凝膠膜呈現(xiàn)出獨(dú)特的層狀堆疊結(jié)構(gòu)，納米纖維在膜面內(nèi)高度取向（圖3）。通過調(diào)控電場強(qiáng)度，可精確控制氣凝膠的密度（21.2 - 112.1 mg/cm3）、孔隙率及納米纖維的取向度（0.15 - 0.46）。這種各向異性的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)顯著提升了氣凝膠的綜合性能：遠(yuǎn)優(yōu)于同密度傳統(tǒng)氣凝膠膜的力學(xué)性能；更低的面外方向熱導(dǎo)率；遠(yuǎn)優(yōu)于商用Nafion膜的質(zhì)子電導(dǎo)率，在能源、電池等領(lǐng)域展現(xiàn)潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
圖3 EM-AC氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、取向表征及強(qiáng)化性能
該EM策略具備卓越的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造能力。研究團(tuán)隊(duì)通過在具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電基底（如微針、微孔、圖案化模板、不銹鋼網(wǎng)）上進(jìn)行原位溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，成功制備了各種復(fù)雜形狀的共形氣凝膠殼層結(jié)構(gòu)（圖4）。例如，在不銹鋼網(wǎng)上形成的共形氣凝膠網(wǎng)絡(luò)，兼具宏觀孔道的高通量傳輸與氣凝膠納米網(wǎng)絡(luò)的多功能特性，在油水分離實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出有效的選擇性分離能力，并可結(jié)合基底的電磁感應(yīng)加熱功能實(shí)現(xiàn)高粘度原油的分離回收。
圖4在微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電基底上制備的共形氣凝膠及其應(yīng)用展示
同時(shí)，該策略突破了高性能氣凝膠膜難以大規(guī)模連續(xù)制備的瓶頸。通過設(shè)計(jì)滾筒陽極裝置，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了氣凝膠膜的卷對(duì)卷（roll-to-roll）連續(xù)化生產(chǎn)（圖5），可制備出長度超過20米、厚度均勻且結(jié)構(gòu)可控的自支撐氣凝膠薄膜，以及在不銹鋼網(wǎng)等基材上的連續(xù)化共形氣凝膠復(fù)合材料，充分展示了該方法的工程化應(yīng)用潛力。
圖5?大面積（50 cm × 50 cm）及連續(xù)長度（>20 m）氣凝膠膜的制備
該研究工作提出了一種通過外場（電場）精準(zhǔn)調(diào)控納米基元運(yùn)動(dòng)、組裝與凝膠化來調(diào)控氣凝膠結(jié)構(gòu)的新策略，為設(shè)計(jì)制備具有定制化結(jié)構(gòu)和性能的高性能氣凝膠材料提供了全新的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李立山副研究員為第一作者，張學(xué)同研究員為通訊作者。該工作獲得國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
附件下載：
