具有超大表面積、高孔隙率、低導熱率、超輕、可壓縮的氣凝膠在減震能量、污染物吸附劑、應變傳感器和熱管理等領域受到了相當大的關注。以下三個因素是設計和制造高性能氣凝膠的關鍵：i）對于構建模塊，1D納米纖維、2D納米片通常用于組裝成3D蜂窩氣凝膠，從而形成相互連接和糾纏的網絡。ii）對于孔隙率，氣凝膠中會在幾個長度尺度上生成孔隙的分層布局，這些布局提可減小導熱系數和并提高緩沖壓縮/釋放變形的空間。iii）對于接口，應牢固地連接構件以保持結構的完整性，這些構件緊密交聯，以實現適當的載荷傳遞并在整個變形過程中阻止裂紋產生。

東華大學朱美芳院士、成艷華副研究員和中科院江雷院士團隊合作以細菌纖維素（BC）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）為原材料，開發了“潤濕和礦化”的優化界面工程，以構建具有高機械壓縮率（≈99％）和超疏水性（≈168°）的混合氣凝膠。這種氣凝膠能實現有效的油/水分離、隔熱和應變感應。通過冷凍誘導組裝，首先產生具有分層網絡的BC纖維基質。然后進行干燥驅動的潤濕和礦化，以實現聚甲基硅倍半氧烷（PMSQ）在BC纖維網絡上原位生長，開發納米復合氣凝膠。在這種自下而上的組裝過程中，可以同時控制界面連接、纖維納米結構以及微觀多孔結構。結果“Hierarchical Interface Engineering for Advanced Nanocellulosic Hybrid Aerogels with High Compressibility and Multifunctionality”發表在《先進功能材料》。

【合成雜化氣凝膠】

作者使用疏水基團的MTMS，通過添加乙酸水溶液的催化劑將其水解并轉化為膠體。將BC納米纖維和MTMS溶膠添加到乙酸水溶液中，并以預定比例混合（圖 1a）。冷凍時，納米纖維和膠體被移動的水冰前沿一起推出，然后被限制在冰晶生長的間隙區域中（圖 1b）。通過冷凍誘導的組裝過程，形成微觀的BC纖維基質。冷凍干燥后，冰升華，沿BC納米纖維的平行方向形成連續的氣液固三相接觸線（TCL），在交叉的納米纖維的接觸點產生不連續的TCL。連續的TCL允許MTMS溶膠的熔融液體流沿原纖維的長軸擴散和滲透，以產生纖維彈性毛細管聚結，而不連續的TCL則導致膠體的聚集和聚集BC納米纖維的接觸。通過干燥驅動的縮聚過程，促進MTMS溶膠的聚合，產生PMSQ礦物網絡，使其沉積在BC納米纖維的表面和接觸點上（圖 1c），PMSQ涂層可以橋接相鄰的納米纖維以形成雜化纖維束，并在纖維束觸點上堆積以生成牢固的交聯劑。在制備的BC-PMSQ混合氣凝膠中，剛性PMSQ與BC納米纖維相互作用形成從分子到納米級和微米級的雜化網絡，其中結合物理纏結的強界面相互作用有利于出色的機械性能。因此，可通過冷凍干燥，在整合的潤濕和礦化過程中直接獲得BC-PMSQ雜化氣凝膠。

圖1 BC-PMSQ雜化氣凝膠的加工原理和合成。

【雜化氣凝膠的形態表征】

BC-PMSQ氣凝膠密度超低（0.7mg cm-3），通過冷凍成型能形成各種形狀，并能按任何期望的尺寸進行放大，以供將來的工業應用使用。它還顯示出沿縱向對齊相互連接的3D框架（圖 2d）。BC納米纖維被牢固地纏結和纏結，并且有許多小孔（圖 2f）。其孔隙率> 99％，分層的多孔結構確保了氣凝膠的超輕特性和絕熱性能，并可緩沖變形力，使氣凝膠具有柔韌性和各向異性的機械性能。

圖2 BC–PMSQ雜化氣凝膠的微觀結構。

【高度可壓縮的機械性能】

BC-PMSQ混合氣凝膠能夠承受超過其自身重量的3.5×107倍的載荷，車輛翻滾之后能恢復到其原始形狀。即使在80％的壓縮應變下，氣凝膠仍保持97.9％的高孔隙率。在壓縮時還顯示出快速的恢復速度，使鋼球反彈，恢復速度約為567 mm s-1。此外，在低溫下，氣凝膠的彈性保留很好。它們可以反復吸附和擠壓出液氮（圖 4g），甚至在液氮中保持其結構穩定性1個月。在？150至200°C的環境空氣中，溫度彈性、儲能模量、損耗模量和阻尼比幾乎不變（圖 4h）。即使進行20000次循環后，粘彈性模量相同（圖 4i）。這種氣凝膠在極端的環境中具有巨大的應用潛力。與先前報道的基于纖維素的氣凝膠相比，BC-PMSQ混合氣凝膠的最大可恢復壓縮應變是99％，優于其他氣凝膠（圖 4j）。“

圖4 BC–PMSQ雜化氣凝膠的壓縮特性。

【超級吸油劑】

BC-PMSQ雜化氣凝膠具有超疏水表面，其表觀水接觸角約為168°（圖5b），水滴可以立即從表面滾落而沒有小傾斜角的滯后現象（圖 5c）。該氣凝膠具有超快的油/水分離能力，出色的吸收能力和吸收循環穩定性。它可在水中分離出氯仿和己烷，然后通過壓縮以除去大部分有機溶劑（圖 5d），這種能力是可循環重復的，（圖 5e），并在100個吸收-壓縮循環中對各種油/有機溶劑表現出出色的穩定性能（圖 5g）。由于存在大量孔隙（> 99％），氣凝膠的吸收能力是其自身重量的93-203倍（圖 5h）。與其他最新的碳基氣凝膠相比，其吸收能力相當高（圖 5i）。

圖5 BC-PMSQ混合氣凝膠的超疏水性和吸油能力。

【潮濕環境下的持久隔熱性能】

BC-PMSQ雜化氣凝膠在室溫下干燥條件下（RH = 30％）的熱導率（λ）為28.9 mW m-1 K-1，比羽絨要低，甚至接近干燥空氣的水平。其分級孔結構抑制了熱對流和氣體傳導，而它們獨特的纖維納米結構則通過產生聲子勢壘來降低固體傳導。提高防潮性能以防止水滲透是氣凝膠確保隔熱質量的關鍵前提。BC-PMSQ氣凝膠的纖維突納米結構、表面疏水部分和穩定的納米纖維框架使其具有強大的超疏水性以承受高濕度。當相對濕度從30％變為90％時（圖 6c），氣凝膠的熱導率幾乎保持不變。但是，當溫度升高時，羽絨的隔熱性能會明顯下降，其熱導率增加。因此，該氣凝膠可能是在極端溫度和濕度下熱保護的良好選擇。

圖6持久的隔熱性能。

【靈敏壓力傳感器】

通過在制造的初始步驟中將氧化石墨（GO）納米片摻入BC-PMSQ復合框架中可實現導電BC-PMSQ-石墨烯復合氣凝膠。壓縮時，導電組件接觸增加，電阻變化。將導電氣凝膠和發光二極管（LED）燈組裝，壓縮應變增加，LED光變得更強，表明電導率得到改善（圖 7d）。此外，這氣凝膠還具有良好的可逆性和可重復性，在連續十次壓縮/釋放循環后，氣凝膠的阻力幾乎沒有變化（圖 7e）。這種氣凝膠在精細傳感（例如人體健康和運動監測）中有深遠的應用。另外，其他具有磁性和催化功能的納米材料也可以很容易地摻入BC-PMSQ網絡中，以賦予最終的氣凝膠附加功能。

圖7 BC–PMSQ–石墨烯混合氣凝膠的壓力敏感性。

結論

作者通過凍干誘導的潤濕和礦化方法合成礦物涂層BC-PMSQ氣凝膠。得益于超輕量、高壓縮性和超疏水性的優點，氣凝膠具有優異的油/有機溶劑的吸收性能和可回收性，以及在高濕度條件下（RH = 95％）的持久隔熱性能。此外，通過將GO納米片結合到BC-PMSQ框架中，可獲得導電氣凝膠，即使在極低的壓力下也顯示出高靈敏度，從而證實了雜化氣凝膠的定制功能。