2020年Nature/Science气凝胶回顾展：世界上最轻的固体材料

有一种材料，虽然是固体，却无比轻盈，看起来好像一股袅袅的蓝烟，如梦似幻，这就是目前世界上最轻的固体材料——气凝胶。

什么是凝胶？

凝胶就是凝聚的胶体，胶体是介于溶液和浊液之间的一种混合物，其颗粒大小在1-100nm之间。胶体的颗粒都带有同种电荷，因此在一般状态下，由于同种电荷相互排斥，这些颗粒无法碰撞结合。但是如果在胶体中混入电解质，这些颗粒所带的电荷就会被电解质中带电粒子的电荷中和，颗粒间不再发生电荷互斥，而是碰撞结合，形成凝胶。

什么是气凝胶？

凝胶中的胶体颗粒相互结合，但是这些颗粒并不像石榴籽那样紧密地挨在一起，而是连结成了空间网状结构。这样的空间网状结构存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥着液体。在不破坏空间网状结构的前提下，将这些液体抽离，任气体充盈在结构周围，便形成了气凝胶。

气凝胶有什么用？

气凝胶有很多种，如氧化物气凝胶、有机炭气凝胶、碳化物气凝胶、金属气凝胶、多组分气凝胶等。

二氧化硅（SiO₂）气凝胶是一种非常好的隔热材料。而且SiO₂气凝胶的折射率接近空气，使得太阳光可以轻易地从中穿过。凭借这种隔热透光的特性，SiO₂气凝胶已在太阳能利用以及建筑节能等方面有所应用。

全碳气凝胶具有极强的吸附能力，可吸附自身质量最高可达900倍的有机溶剂。而且，它的吸附效率也十分惊人，1g全碳气凝胶每秒钟便能吸附68.8g的有机物。全碳气凝胶的结构韧性也非常优良，即便被数千次压缩至原体积的20%也可迅速复原。

如今，气凝胶已被广泛应用于许多领域，制造出如气凝胶体育器材、气凝胶电池、气凝胶房屋、气凝胶登山鞋等新型产品。 不过，要使气凝胶产品走进千家万户，似乎还需要一些时间。 相信未来，科学家们会研制出更多性能优异的气凝胶，并推动它们的广泛应用，造福人类生活。

本文介绍了2020年Nature/Science及其子刊发表关于气凝胶的文章。

【1】Nature：二氧化硅气凝胶的增材制造

隔热材料最大的市场是二氧化硅（SiO₂）气凝胶，但它们致命的缺点是脆性，导致机械加工性差，与精确铸造小物体的结合难度高，这限制了（SiO₂）气凝胶的应用。瑞士联邦Wim J. Malfait团队提出了一种直接的墨水书写方法，可以从稀释的（SiO₂）纳米颗粒悬浮（溶胶）浆液中创建打印SiO₂气凝胶物体。由于凝胶颗粒的体积分数高，油墨表现出剪切稀化行为，在打印期间容易流过喷嘴，但是在打印后它们的粘度迅速增加，确保了打印物体保持其形状。打印后，硅溶胶在氨气中凝胶化，随后加工成气凝胶。气凝胶比表面积高（751 m² g⁻¹）和导热率超低（15.9 mW m⁻¹ K⁻¹）。此外，作者还将之结合功能纳米颗粒。该气凝胶物体可用于热管理，用作微型气泵并降解挥发性有机化合物。文章" Additive manufacturing of silica aerogels "发表于《Nature》 （参考： doi.org/10.1038/s41586-020-2594-0 ）

【2】Nature  Commun.：分级孔隙率的超轻COF /石墨烯气凝胶

共价有机骨架（COF）是有机连接子中轻质元素(如C，N，O，B，Si和H)通过强共价键构成的高度多孔结晶的聚合物。由于结构多样性、永久孔隙率、远距离有序性，COF有多种应用，如有机催化、气体存储、分子分离、能量存储装置、光催化水分解、发光二极管等。但由COF制备宏观物体仍具有挑战性。德国柏林工业大学Arne Thomas 在《Nature Communication》发表"Ultralight covalent organic framework/graphene aerogels with hierarchical porosity".作者 通过水热法合成COF/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶。COF以3D方式堆叠方式沿2D石墨烯片的表面原位生长，冷冻干燥后形成具有分层多孔结构的超轻气凝胶，可以压缩和膨胀数次而不会破裂。COF/rGO气凝胶显示出极好的吸收能力，可用于从水中去除各种有机液体。此外，作为超级电容器装置的活性材料，气凝胶可提供269 F g^-1的高电容，循环稳定性超过5000次。 （参考：doi.org/10.1038/s41467-020-18427-3）

【3】 Science Adv.: 各向异性、分层的隔热SiC@SiO₂纳米线气凝胶

陶瓷气凝胶是用于建筑，工业和航空航天器的轻质高效的绝热潜在材料，但通常受到高温时脆性和结构破坏的限制。尽管已有制造基于纳米结构实现陶瓷气凝胶弹性的有效方法，但结构中随机分布的宏观孔隙通常导致低刚度和低隔热性能。西安交通大学为了克服这些障碍，采用了通过使用定向冷冻浇铸和热处理来制备各向异性和分级微观结构SiC@SiO₂纳米线气凝胶。气凝胶的超低导热系数约为14 mW / m·K，具有很高的刚度（比模量约为24.7 kN·m / kg），即使在1200°C加热下也具有出色的热稳定性和化学稳定性，是极端条件下的理想绝热材料。结果" Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation "发表于《Science Advances》（参考：DOI: 10.1126/sciadv.aay6689）

【4】Science Adv.: 热塑性发泡法制备人工智能触觉传感器石墨烯气凝胶

通常情况下，由固体直接发泡是制造多孔材料的最有效方法。然而，因固体的可塑性的界面相互作用，理想的发泡不能制备纳米颗粒的气凝胶。浙江大学高超，彭玉鑫、王健等研究员发明了一种亲水性发泡方法，将氧化石墨烯（GO）固体直接转化为气凝胶块和微阵列。水分子插入GO层之间，能够使GO固体变成可塑性状态，并能够直接发泡。气泡的形成遵循一般的结晶规则，并能够精确控制壁厚度低至8 nm。气泡团簇产生具有无缝连接的双曲面结构，使石墨烯气凝胶具有超强的机械稳定性，可抵抗极端变形。直接发泡的气凝胶的应变系数（GF）极高（〜2），应变范围超宽（0-95％），稳定性优越（10⁴个循环），胜过大多数应变传感器。通过将直接与墨水打印集成，作者制造了空间精度约为100μm的大面积气凝胶微阵列传感器。在深度学习框架中，阵列用作人工智能（AI）触觉传感器，可在识别材料种类和表面结构方面达到80％以上的准确度，远远超过了人类手指的平均能力（30％）。文章以 "Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors"为题发表在《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.abd4045）

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