中國科大余彬教授ACS Nano：仿生納米結構動態聚亞胺氣凝膠，綠色可持續材料領域的新突破

近日，由中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室余彬教授團隊主導的研究成果發表在《ACS Nano》期刊上，標題為《Biomimetic Nanostructured Polyimine Aerogels with Graded Porosity, Flame Resistance, Intrinsic Superhydrophobicity, and Closed-Loop Recovery》。該研究成功開發了一種由生物質材料構築的動態交聯聚亞胺氣凝膠，不僅具備優異的力學性能、隔熱性能，還具備可回收與可降解特性，為推動綠色可持續材料的研究和實際應用提供了新方向。博士生何紅飛為本研究的第一作者，余彬教授和宇平教授為共同通訊作者。

·     1.     關鍵創新點與設計理念

研究團隊利用動態共價鍵技術構建了可逆交聯網路，使氣凝膠具備超快速降解能力，並能夠實現化學單體的閉環回收再利用。這種設計靈感來源於自然界植物的結構特性，如仿蓮葉的超疏水多級粗糙表面與仿樹幹的各向異性孔隙結構，賦予氣凝膠優異的機械性能（軸向壓縮強度達2.2 MPa）、低導熱係數（橫向為0.0257 W/(m·K)）及卓越的阻燃性（極限氧指數達36%）。此外，該氣凝膠表現出極高的疏水性，接觸角高達154°，在油水分離、定向液體傳輸及儲能等領域展示出廣泛的應用潛力。

圖1. 動態氣凝膠的設計策略

·     2.     環保與可持續性

本研究採用來源於木質素的生物基單體與功能性作為原料，通過動態亞胺鍵實現了高度交聯的三維氣凝膠網路。這種結構不僅減少了傳統高分子材料對化石資源的依賴，還使氣凝膠具備快速降解和完全回收的能力，可在閉環系統中實現零排放的材料迴圈再利用，大幅降低了環境負擔。

圖2. 動態氣凝膠的多種回收策略

·     3.     製備工藝與結構優勢

研究團隊利用定向凍結乾燥技術，成功製備出具有梯度孔隙分佈的仿生氣凝膠。這種技術通過控制溶劑結晶的方向性，實現了細膩的垂直通道和蜂窩狀孔隙結構，顯著增強了材料的各向異性特性，特別是其在液體定向輸運中的性能。氣凝膠展現出良好的形態可塑性，其超輕特性（密度僅為55 mg/cm³）甚至可穩定地放置在花瓣上。此外，氣凝膠還具有獨特的“仿生結構”，通過分層粗糙表面（類似蓮葉）實現超疏水性與抗汙性能，可在水油混合物中快速吸附油分離水。此外，其多孔結構和導向通道還能實現液體逆重力輸運，為氣凝膠在微流體和油污治理中的應用開闢了新方向。

圖3. 動態氣凝膠仿生結構

·     4.     力學性能與熱管理能力

這種氣凝膠在軸向壓縮下表現出優異的力學性能，能夠承受約8000倍自身重量的水桶壓載而不發生顯著變形。同時，其隔熱性能在極端環境下表現突出，導熱係數接近空氣（0.023 W/(m·K)）。例如，在-40°C的低溫下，氣凝膠表面溫度可維持在-7°C，而在高溫（120°C）條件下則展現出良好的隔熱效果。此外，其負泊松比特性和疲勞恢復能力進一步提升了材料在複雜工業條件下的實用性。

得益於其綠色可持續的材料屬性，該氣凝膠在油水分離、儲能、電磁遮罩及阻燃等領域具有廣闊應用前景。例如，實驗顯示該材料在油水分離中能夠快速、高效地吸附油污並實現液體的定向傳輸。此外，其阻燃性與低導熱性使其成為航空航太和建築保溫領域的潛在關鍵材料。這項研究不僅在材料科學中實現了生物質材料的高效利用，更在環境保護與資源回收領域樹立了新標杆。通過動態共價網路與仿生結構的結合，該團隊為下一代功能性氣凝膠材料的設計提供了全新思路，同時為應對全球資源與環境危機提供了技術支援。

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