中国科技大学研制一种全天然仿木气凝胶

(相关资料图)

木材作为一种用途广泛的材料和丰富的资源，具有低密度、低导热、良好的机械性能和可持续性等特性，已被广泛使用了数千年。近年来，基于对木结构的认识，各种具有独特物理性能和广泛应用的仿木材料也被开发出来，其中，具有优良保温性能的气凝胶是最重要的研究课题之一。基于塑料和树脂的仿木气凝胶受到生物降解性差的严重限制，这会导致废物的积累并带来严重环境问题。而基于现有的纳米结构基元的仿木气凝胶则受到其可持续性不足和成本高的限制。因此，为解决目前材料的不可持续性问题，开发低成本、低能耗、环保的新型构筑基元将对仿木气凝胶的发展起到至关重要的作用。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了一种经过自下而上的策略，利用天然生物质和天然矿物为原料，制备了一种具有优良隔热和耐火性能的纯天然仿木气凝胶。相关成果以“Anall-natural wood-inspired aerogel”为题发表在《德国应用化学》上（*Angew. Chem. Int. Ed.*2023, 62(6), e202211099）。论文共同第一作者为博士研究生韩子盟和孙文彬，通讯作者为合肥微尺度物质科学国家研究中心的管庆方副研究员和俞书宏院士。

图1.全天然气凝胶的制备与结构。（a）木屑颗粒表面纳米化和仿木结构构造过程示意图；（b-d）天然木材及其取向通道结构；（e-g）全天然海绵及其取向通道结构。

研究人员通过巧妙的表面化学调控方法，成功实现了在温和条件下活化微米尺度的木屑颗粒表面，从而暴露出纤维素纳米纤维（图1a）。这些颗粒表面的纳米纤维显著增强了颗粒之间的相互作用，结合单向冷冻技术成功构建了强韧耐用的仿木气凝胶。这种气凝胶有着与天然木材类似的取向通道结构（图1b-g），这种仿木结构可以大大降低气凝胶的热导率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低径向热导率，优于现有纤维素基气凝胶材料和各类商用海绵（图2a-c）。同时，加入天然粘土纳米片使得这种气凝胶的耐火性能也有了很大的改善，可以承受1300℃高温的火焰至少20分钟而不被烧透（图2d-h）。

这种全天然仿木气凝胶的隔热和防火性能均优于天然巴沙木和大多数商业海绵，有望成为现有商业隔热材料的理想替代品。此外，其天然的原料来源和低能耗低排放的制备工艺使得这种气凝胶具有良好的生物降解性和可持续性，从而可以减少隔热材料在生产，使用和废弃过程中对环境的负面影响。

图2.全天然气凝胶的隔热和防火性能。（a）全天然气凝胶的隔热性能与所报道的纤维素基和木基气凝胶的对比；（b）Ashby图展示了全天然气凝胶的隔热性能与各类商用海绵的对比；（c）从热辐射、热对流和热传导三种传热形式解释全天然气凝胶优异隔热性能的机理；（d-g）经过火焰灼烧的仿木气凝胶不同部位微观结构；（h）高温碳化后气凝胶径向与轴向热导率变化。