上一张 中国科学院在化学研究方面接连取得成就 日常生活中气凝胶的使用仍然十分罕见，对它的应用研究大多停留在实验室阶段，或集中在极少数的高精尖领域。 王真 密度仅为空气的1/6、高孔隙率、大比表面积和极低的热导率……气凝胶身上如此完美的性质，使它毫无疑问地荣升为世界上最轻的固体物质。据报道，目前气凝胶的最低密度可以达到0.16 mg/cm3。 鉴于此，诸多科学家把气凝胶认为是“改变世界的神奇材料”，并预言将在化学、光学、电学以及航空航天、生命科学等领域具有重要的应用前景。 世界上第一块气凝胶诞生于1931年，美国科学家Kistler首次使用超临界干燥法将二氧化硅凝胶中的液体用空气置换出来，完整地保持了凝胶的网络结构，得到了半透明的二氧化硅气凝胶。鉴于气凝胶独特的性质，自问世以来气凝胶材料的研究一直受到广泛的关注。 应用研究停留在实验室 然而，时至今日，在我们的日常生活中气凝胶的使用仍然十分罕见，对它的应用研究大多停留在实验室阶段，或集中在极少数的高精尖领域。 究其原因，主要有两方面：第一，气凝胶低密度、高孔隙率的特点使得这种材料非常脆弱，在实际应用环境中的耐用性较差;第二，凝胶的干燥过程非常复杂，常规条件会导致严重的体积收缩，通常须使用超临界干燥技术，涉及高温高压、特殊装置，且制备程序烦琐、非连续、周期长、产量低，使得它的生产成本居高不下。 针对二氧化硅气凝胶强度差的弱点，目前一个行之有效的手段是在二氧化硅凝胶中引入有机组份。 在这方面，国内外的研究人员通过努力，的确已经得到具有一定柔韧性的有机-无机杂化气凝胶。但遗憾的是，这种方法的弊端在于使气凝胶的制备工艺更加烦琐，同时还伴随着气凝胶密度的大幅度增加，而这，却与其低密度的特点相悖。 另一方面，为了替代超临界干燥技术，研究人员也在不断探索新的干燥技术。如常压干燥法，既不涉及高压，又在干燥过程中对凝胶有增强作用。 但由于这种方法无法避免毛细力对凝胶孔结构的破坏，因此所制备的样品仍会发生收缩，严重情况下会导致样品破碎，难以大规模制备，同时常压干燥法需要使用大量的溶剂，难以避免高成本和环境污染问题。因此，通过经济、便捷的途径制备力学性能优异的低密度气凝胶具有重要意义。 上一张 中国科学院化学研究所 简便制备技术和性能优化获突破 最近，从中国科学院化学研究所传来好消息：该所徐坚研究员和赵宁副研究员带领的团队在国家自然科学基金委、科技部的大力支持下，在气凝胶材料简便制备技术和性能优化方面取得了新进展。 他们通过分子设计，以巯基-双键点击反应制备了含有硫醚链段的桥联倍半硅氧烷前驱体，在分子尺度上引入有机组分，这种有机-无机杂化分子两端是三烷氧基硅基，经水解缩合后可表现出良好的刚性和尺寸稳定性，中间柔顺的硫醚链段则可赋予凝胶骨架弹性。 令人欣喜的是，这种桥联倍半硅氧烷凝胶可直接在室温下真空干燥得到气凝胶，极大地简化了气凝胶的制备过程，得到的气凝胶不但完整保留了湿凝胶的初始尺寸，而且质地均一、密度低、导热系数低、比表面积高，具备传统方法制备气凝胶的优良特性。 研究表明，在真空下凝胶中的溶剂挥发过程中，柔性的硫醚链段使得弹性凝胶骨架能够通过改变构象来承受毛细力的挤压，其较低的极性也有助于减弱凝胶与溶剂之间的相互作用;溶剂快速挥发也缩短了毛细力的作用时间，减轻了应力积累对凝胶孔结构的破坏作用;同时，溶剂的快速蒸发带走了大量热量，体系温度迅速下降，降低了硅羟基的反应活性，减少了不可逆形变的产生，这对于保持凝胶的结构非常有利。 与传统的二氧化硅气凝胶相比，这一类型的桥联倍半硅氧烷气凝胶还表现出优异的柔韧性和弹性，能在50形变下仍保持结构不被破坏，并可在30形变下反复压缩多次后迅速回弹而不产生永久变形。 如果将其再次浸泡在乙醇或水中，经真空干燥后，桥联倍半硅氧烷凝胶仍能够保持宏观和微观结构不发生变化，这为通过简单的湿化学或物理浸渍方法对该气凝胶骨架表面进行功能化改性提供了可能。 例如，他们将该气凝胶浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液或乙醇溶液中，干燥后可在气凝胶骨架表面形成一层PEI涂层，得到具有很高二氧化碳吸附效率的吸附材料。相关技术已申请专利，研究结果已经发表在近期的《先进材料》杂志。 据悉，这是国际上首次以真空干燥技术制备气凝胶材料的报道。这种制备方法简便、材料性能优异、易于表面功能化的气凝胶材料有望实现规模化生产，为气凝胶在众多领域中的实际应用奠定了科学和技术基础。 (作者单位：中国科学院化学研究所) 上一张 中国科学院化学研究所 上一张 中国科学院化学研究所 上一张 中国科学院化学研究所 上一张 中国科学院化学研究所 上一张 中国科学院化学研究所 上一张 中国科学院化学研究所 |
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