背景介绍
随着高端隔热、柔性电子及环境修复等领域的快速发展，对多孔材料提出了日益严苛的综合性能要求：既要具备极低的密度与导热系数，以实现高效隔热与轻量化；又需要拥有足够的机械强度与结构稳定性，以承受实际应用中的载荷与形变；同时还往往要求材料表面具备可控的润湿性（如超疏水、超亲油）或特定的化学功能性。
传统聚合物气凝胶，尤其是通过冷冻干燥法制备的材料，虽然工艺相对简单、原料来源广泛，但普遍面临比表面积偏低、力学性能较弱、亲水性强且湿热环境下易塌缩等瓶颈。另一方面，性能卓越的二氧化硅气凝胶虽已商业化，但其粉末形态难以直接成型，且脆性高、成本高昂，限制了其在复杂结构件中的广泛应用。
因此，如果能将商业二氧化硅气凝胶粉末的功能优势（超高比表面积、超疏水性、极低导热系数）与聚合物基体的可加工性、柔韧性相结合，构建一种具有精细多级孔结构、优异力学强度及稳定疏水性能的新型复合气凝胶，将有望突破当前材料性能的局限。
成果简介
南京工业大学吴晓栋、中科院苏州纳米所王锦团队针对传统聚合物气凝胶性能瓶颈，提出并验证了一种普适性强的“气凝胶-功能化-气凝胶”复合策略（AFA）。作者将商业化超疏水二氧化硅气凝胶粉末作为功能单元，通过高速分散均匀引入壳聚糖、明胶、PVA等五种聚合物溶液，经冷冻干燥制备出一系列多功能复合气凝胶。该材料在保持低密度（<0.1 g·cm⁻³）与高孔隙率（>90%）的同时，其比表面积、力学强度与表面疏水性得到系统性提升。其中，明胶基复合气凝胶比表面积从 5.77 m²·g⁻¹ 跃升至 193.50 m²·g⁻¹，增幅达3248%；PVA基材料在65%应变下压缩应力提升1228%；壳聚糖基材料接触角由0°转变为137°，实现从超亲水到疏水的根本转变。SSAPs在冻干过程中发挥“异相成核-空间限制”双重作用，有效细化冰晶、抑制大孔形成，从而构建出均匀致密的微/介孔分级网络。基于此，该研究展示了复合气凝胶在隔热、疏水及模块化成型方面的应用潜力，为高性能、可定制化气凝胶的规模化制备提供了兼具普适性、低成本与工艺简便性的材料解决方案。
相关研究工作以“A general strategy for dramatic enhancement of aerogels via an aerogel-functionalization-aerogel approach”为题发表在“Journal of Materials Chemistry A”杂志上，该论文第一作者为Hong Li。
图文导读
图1. (a)AFAs的制备工艺。(b)天然气凝胶的摄影图像：CS-A(b1)、Gel-A(b2)、PVA-A(b3)、MC-A(b4)和PAM-A(b5)。(c)AFA的摄影图像：CS-AFA(c1)、Gel-AFA(c2)、PVA-AFA(c3)、MC-AFA(c4)和PAM-AFA(c5)。
图2.(a) CS-A、CSA-AFA的FTIR光谱;(b) 凝胶-A，凝胶-AFA;(c) PVA-A，PVA–AFA;(d) MCA，MCA-AFA;以及(e) 帕姆-阿，帕姆-阿法。(f)天然气凝胶和AFA热导率下降的线图及热导率下降的折线图。(g) COMSOL 多物理模型，分析 SSAP 体积分数对弹性模量的影响，且总体积和单个 SSAP 颗粒体积保持不变（总体积 = 1.800 × 106 立方毫米，SSAP 颗粒体积 = 8.681 × 104 立方毫米）。蓝色球形颗粒代表SSAPs，紫色纤维代表明胶纤维。明胶体积分数为：(g1) 26.9%;(g2) 42.4%;(g3) 52.5%;(g4) 59.5%;(g5) 64.8%。(g6)条形图显示热导率与明胶体积分数的关系。(h)本地气凝胶上彩色水滴的摄影图像：CS-A (h1);凝胶A(h2);PVAA(h3);MC-A(h4);PAM-A(h5)。(i)AFA上彩色水滴的摄影图像：CS-AFA(i1);凝胶AFA(i2);PVA–AFA(i3);MC-AFA(i4);PAM-AFA(i5)。(j)如前所述，天然气凝胶和AFA的水接触角。
图3.扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了(a) CS-A、(b) CSA-AFA、(c) 凝胶-A、(d)凝胶-AFA、(e) PVA-A、(f) PVA-AFA、(g) MC-A、(h) MCA-AFA、(i) PAMA、(j) PAM-AFA的横截面。(k)天然气凝胶和AFA冻干过程示意图：本地气凝胶(k1) ;AFA(k2)。
图4.(a) CS-A， CS-AFA， (B) Gel-A， Gel-AFA， (c) PVA-A， PVA–AFA， (D) MC-A， MC-AF， (E) PAM-A， PAM-AFA， (F) SSA 的 BET 脱附曲线及孔径分布，以及 SSA 比率的增加。
图5.(a) CS-A， CS-AFA， (b) Gel-A， Gel-AFA， (c) PVA-A， PVA–AFA， (D) MC-A， MC-AFA， (E) PAM-A， PAM-AFA 的压缩曲线。内嵌为压缩前、压缩中和压缩后的摄影图像。(f)实验者对CS-A和CS-AFA进行的压缩实验：(f1) CS-A和CS-AFA均承受52公斤载荷，持续3秒;(f2) 被踩前的CS-A;(f3) 被踩踏后，CS-A;(f4) CS-A被踩时;(f5) CS-AFA在被踩踏前;(女6岁)被踩到的CS-AFA;(F7)被踩踏时出现CS-AFA。(g)拟议的天然气凝胶压缩韧性机制图。(h) AFAs的压缩弹性机制图。(i) COMSOL 多物理模型，分析在总体积恒定和明胶体积恒定条件下，SSAP 体积分数对弹性模量的影响（总体积 = 1.800 × 106 mm3，明胶体积 = 1.920 × 105 mm³。蓝色球形颗粒代表SSAPs，紫色纤维代表明胶纤维。SSAP体积比例为：(i1) 26.9%，(i2) 42.4%，(i3) 52.5%，(i4) 59.5%，(i5) 64.8%。(i6) 弹性模数值对应不同的SSAP体积分数。
图6.(a)天然气凝胶和(b) AFA 五种物理性质的雷达图。(c) 将我们的工作与相关报告进行比较。(d) AFA的可编辑裁剪功能：(d1) Gel-AFA可在模具中成型成多种形状;(d2)胶状AFA呈船形（粉色），可以漂浮在水面上;(d3)Gel-AFA可以剪成小猫形状;(d4)小猫可以自行拼接，无需束胸。(e) 热阶段的Gel-A和Gel-AFA在150°C下30分钟拍摄的数据。(f)在热阶段150°C拍摄的Gel-A和Gel-AFA红外照片，拍摄时间30分钟：(f1) 0分钟;(f2) 10分钟;(f3) 20分钟;(f4) 30分钟。
文章标题：“A general strategy for dramatic enhancement of aerogels via an aerogel-functionalization-aerogel approach”
Hong Li, Yanan Chen, Ling Liu, Xueyan Hu, Huan Sun, Yaru Li,Xiaodong Wu* and Jin Wang*
DOI: 10.1039/d5ta08816j
文章链接：https://doi.org/10.1039/d5ta08816j
研读感想
这篇工作最核心的亮点在于，它并非简单地“又做出了一种更高比表面积的气凝胶”，而是通过引入成熟的超疏水二氧化硅气凝胶粉末，以一条普适、低成本的路径，成功统一了传统气凝胶难以兼顾的高比表面积、高强度与高疏水性。作者提出的“气凝胶-功能化-气凝胶”策略，巧妙利用 SSAPs 在冷冻过程中的“成核-限制”效应，在微观上重构了聚合物网络的孔结构，使其从疏松的大孔转变为致密均匀的微/介孔分级网络，从而协同实现了比表面积跃升、力学性能倍增与表面性质从亲水到疏水的根本转变。
该策略的性能提升高度依赖于SSAPs 的均匀分散与界面作用，对于不同聚合物体系可能需要优化混合工艺与比例。未来若能在此基础上，将 SSAPs 与其他功能单元（如相变材料、导电填料或催化活性组分）复合，或进一步设计具有取向、梯度结构的复合气凝胶，将有望发展出兼具优异力学性能、可控润湿性、智能热管理或催化功能的新一代多功能气凝胶材料，在高效隔热、油水分离、柔性电子及能源存储等领域开辟更广阔的应用前景。
研读人简介
吕金淘，河南南阳人，在读硕士研究生
邮箱：Lvjintao@whut.edu.cn
研究方向：气凝胶
