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復(fù)旦《AFM》：超疏水多功能氣凝膠！具有仿生鼠尾草葉狀結(jié)構(gòu)

2022-03-24 14:31:50 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

隨著全球溫室效應(yīng)和水污染的升級(jí)，我們?nèi)粘Ｉ钪信c高溫環(huán)境和無保障水源相關(guān)的疾病風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。緩解這些問題的措施包括為污水凈化和節(jié)能建筑開發(fā)輕質(zhì)、多孔和多功能材料。目前，對(duì)功能化材料的仿生探索對(duì)化學(xué)和材料科學(xué)來說仍然非常重要，盡管生物的大多數(shù)巧妙結(jié)構(gòu)和功能沒有得到精確模擬。

來自復(fù)旦大學(xué)的學(xué)者從鼠尾草葉的強(qiáng)疏水性中得到啟發(fā)，制備了一種具有鼠尾草葉狀結(jié)構(gòu)的新型超疏水多功能芳綸聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠（簡(jiǎn)稱Bio-ANFPI氣凝膠）。Bio-ANFPI-1氣凝膠表面覆蓋有許多通過原位硅氧烷縮聚方法生成的球形和半球形二氧化硅納米顆粒，類似于薩爾瓦多葉的表面，這有助于基于Cassie-Baxter模型構(gòu)建超疏水氣凝膠（Bio-ANFPI-2）。結(jié)果表明，Bio-ANFPI-2氣凝膠的最大應(yīng)力和壓縮模量分別提高了174%和245%。此外，Bio-ANFPI-2氣凝膠具有超疏水性，水接觸角為152°，滾動(dòng)角為8.3°。此外，氣凝膠具有較低的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的金屬離子吸收能力以及令人印象深刻的油吸收能力，使其初始值保持在壓縮率88%，并且在50次循環(huán)后的壓縮率為80%。總的來說，這項(xiàng)工作可以使制造仿生高性能輕質(zhì)材料的方式更加通用和實(shí)用。相關(guān)文章以“Superhydrophobic and Multifunctional Aerogel Enabled by Bioinspired Salvinia Leaf-Like Structure”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110830

圖1。a）鼠尾草葉的照片和b）相應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)。c）經(jīng)典的卡西-巴克斯特表面潤(rùn)濕狀態(tài)。d）化學(xué)剝離ANF和水溶性PAS。e）通過冷凍干燥和退火制備ANFPI氣凝膠。f） ANFPI氣凝膠浸泡在TEOS和KBE-803的水解液中。g）具有粗糙仿生表面的Bio-ANFPI-2氣凝膠。

圖2. 氣凝膠的分級(jí)形態(tài)和化學(xué)特性。a–c）ANFPI，d–f）Bio-ANFPI-1，g–i）Bio-ANFPI-2氣凝膠的形態(tài)。j） ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的FTIR光譜。k） Bio-ANFPI-1氣凝膠的固態(tài)29SiNMR譜。l） Bio-ANFPI-1和2氣凝膠的分級(jí)形態(tài)模型。m）煅燒前后的Bio-ANFPI-2氣凝膠照片和相應(yīng)的SEM圖像。

圖3. ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的機(jī)械性能。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠在60%應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變（δ-ε）曲線。b）ANFPI氣凝膠、c）BioANFPI-1氣凝膠、d）Bio-ANFPI-2氣凝膠在20%、40%和60%應(yīng)變下的壓縮δ-ε曲線。

圖4. Bio-ANFPI-2氣凝膠的超疏水性能。a） Bio-ANFPI-2氣凝膠的動(dòng)態(tài)拒水行為。b） Bio-ANFPI-2氣凝膠的水接觸角（WCA）和滾動(dòng)角（RA）。c）ANFPI氣凝膠、d）ANFPI-F氣凝膠、e）Bio-ANFPI-2氣凝膠表面靛藍(lán)染色的水滴及其高吸水紙去除過程。

圖5. 生物ANFPI氣凝膠的應(yīng)用。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的熱導(dǎo)率。b）Bio-ANFPI-1氣凝膠對(duì)銅離子的吸附效率和c）吸附機(jī)理。d）在水層（Bio-ANFPI-2氣凝膠）下選擇性吸收重油（氯仿）。e）輕油（正己烷）在水上的選擇性吸收（Bio-ANFPI-2氣凝膠）。使用f）機(jī)械擠壓和g）蒸餾解吸的Bio-ANFPI-2氣凝膠對(duì)正己烷的吸收回收能力。

綜上所述，本文通過原位硅氧烷縮聚法成功地模擬了鼠尾草葉片的微觀表面形態(tài)和疏水行為，構(gòu)建了硅氧烷增強(qiáng)的芳綸-聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠（Bio-ANFPI-1和2）。通過利用具有不同功能的硅氧烷，同時(shí)形成了二氧化硅納米顆粒和聚有機(jī)硅氧烷薄膜。前者用于模擬鼠尾草葉片的粗糙表面，后者用于增強(qiáng)氣凝膠的機(jī)械性能，并將二氧化硅顆粒固定在氣凝膠的骨架上。結(jié)果表明，Bio-ANFPI-2氣凝膠的最大應(yīng)力顯著增加了174%，壓縮模量也增加了245%。在粗糙表面和低表面能的共同作用下，Bio-ANFPI-2氣凝膠具有152°的WCA和8.3°的RA，顯示出其優(yōu)異的超疏水性。更重要的是，氣凝膠具有接近空氣的低熱導(dǎo)率、優(yōu)異的金屬離子吸附能力和優(yōu)異的油水分離能力。本文的工作可以提供一種通用且簡(jiǎn)單的方法來促進(jìn)高性能氣凝膠的開發(fā)。

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