金屬氧化物纖維由于本征脆性且相互作用較弱，因此難以將其組裝成為彈性氣凝膠。目前相關(guān)報(bào)道依賴(lài)?yán)鋬龈稍锏雀吆哪芗夹g(shù)、對(duì)金屬氧化物組分具有限制、常以犧牲纖維表面活性位點(diǎn)為代價(jià)，且依賴(lài)繁雜的“試錯(cuò)法”。
東南大學(xué)代云茜教授與清華大學(xué)危巖教授合作在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了題為“Smart-simulation derived elastic 3D fibrousaerogels with rigid oxide elements and all-in-one multifunctions”的文章（DOI：10.1016/j.cej.2022.135444）。利用有限元分析建立小型數(shù)據(jù)庫(kù)，從納米到宏觀多尺度智能篩選出易于將脆性氧化物納米纖維交聯(lián)成彈性3D氣凝膠的材料成分和結(jié)構(gòu)。使用還原氧化石墨烯（RGO）作為交聯(lián)劑、氣泡作為模板，簡(jiǎn)便地將本征脆性的改性TiO2納米纖維構(gòu)筑成彈性氣凝膠。氣凝膠具有良好的彈性（可承受至少1000次的循環(huán)可逆壓縮，可承受?196至700 °C的極冷、極熱嚴(yán)苛條件），表現(xiàn)出超低密度（7.02 mg·cm?3），且可以超快速地完成光熱轉(zhuǎn)換與汲水。利用上述優(yōu)點(diǎn)，該氣凝膠可以高效地利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，蒸發(fā)含有微塑料污染物的海水。進(jìn)一步，巧妙利用海水溫差，將蒸發(fā)獲得的蒸汽自然冷凝、收集成為凈水，形成“無(wú)電力”、“無(wú)碳排”的自動(dòng)凈水系統(tǒng)。該過(guò)程中，太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)化效率超過(guò)100%（1個(gè)太陽(yáng)輻照下），且收集的凈水中微塑料污染物的去除率高達(dá)100%。不同于已報(bào)道的蒸發(fā)器，該彈性氣凝膠即使在蒸發(fā)后也可以循環(huán)利用，用于可穿戴的御寒材料和壓感智能材料。這項(xiàng)工作為利用智能仿真設(shè)計(jì)、將力學(xué)脆性的材料簡(jiǎn)便組裝為彈性氣凝膠提供了一種通用策略。同時(shí)，為目前受限于力學(xué)穩(wěn)定性的先進(jìn)納米材料，拓展新功能和新應(yīng)用提供了新機(jī)會(huì)。
圖1.基于有限元分析的三維纖維氣凝膠力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（A）受到由樹(shù)枝組裝成為鳥(niǎo)巢的啟發(fā)。（B）通過(guò)智能模擬，對(duì)氣凝膠組分參數(shù)和機(jī)械性能之間的相關(guān)性進(jìn)行歸納分析，以篩選出賦予氣凝膠低楊氏模量和高強(qiáng)度的最佳組成與結(jié)構(gòu)。（C）利用有限元分析在一維、二維和三維上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，模擬還原氧化石墨烯交聯(lián)改性TiO2納米纖維后的應(yīng)變和應(yīng)力分布。圖2.（A）利用氣泡模板和自然干燥構(gòu)筑彈性TiO2/RGO示意圖。（B）該方法獲得的具有宏量制備潛力的大尺寸3D TiO2/RGO氣凝膠及本征脆性的TiO2納米纖維的對(duì)比圖。（C）多孔結(jié)構(gòu)的RGO片。（D–I）由RGO交聯(lián)的多級(jí)TiO2纖維骨架。圖3.（A）TiO2/RGO氣凝膠的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（B）TiO2/RGO的循環(huán)壓縮試驗(yàn)。（C）壓縮循環(huán)后楊氏模量和最大應(yīng)力的變化。（D）經(jīng)過(guò)1000次壓縮后的氣凝膠，孔結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)保持良好。（E）在300次循環(huán)壓縮試驗(yàn)后，多種組分的氧化物纖維氣凝膠的楊氏模量和最大應(yīng)力的保留率，顯示該策略的材料普適性。（F）氣凝膠在高溫處理（700 °C）2小時(shí)或液氮（–196 °C）冷凍沖擊下的良好機(jī)械彈性。（G）700 °C熱處理后氣凝膠的循環(huán)壓縮曲線。圖4.（A）氣凝膠多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。（B，上）氣凝膠良好的光吸收特性、吸水性。（B，下）利用氣凝膠蒸發(fā)過(guò)程中的水質(zhì)量變化，及光照下氣凝膠的光熱轉(zhuǎn)化溫度。（C）在戶(hù)外環(huán)境中太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)水實(shí)驗(yàn)。（D，E）利用先進(jìn)的原位FTIR顯微技術(shù)觀測(cè)蒸發(fā)前、后收集的聚乙烯微塑料。（G）EPR光譜顯示氣凝膠產(chǎn)生的活性氧。（H）無(wú)電自然冷凝系統(tǒng)的示意圖，以及設(shè)計(jì)的“浮動(dòng)太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)”完成農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)供水的示意圖。海水顏色的漸變表示溫度梯度。圖5.（A）TiO2/RGO氣凝膠的循環(huán)利用過(guò)程，包括通過(guò)壓縮儲(chǔ)存在小盒子中以便于運(yùn)輸，從盒子中釋放并直接用作蒸發(fā)器，在蒸發(fā)后作為功能性紡織品再次使用。（B）便攜式TiO2/RGO壓縮、存儲(chǔ)和釋放過(guò)程。（C，左）氣凝膠作為織物中的隔熱材料和智能傳感器。（C，右）氣凝膠填充在背心中的可變形性。（D）氣凝膠具有有效的御寒功能。（E，F(xiàn)）氣凝膠壓力傳感器測(cè)試及可視化壓感電流圖。
示意圖1.（A）3D TiO2/RGO纖維氣凝膠的多功能一體化（B）和先進(jìn)性能對(duì)比總結(jié)。（B）中的紅星突出了我們的工作，處于已有報(bào)道前列。Meng, X.; Peng, X.; Wei, Y.; Ramakrishna, S.; Sun,Y.; Dai, Y., Smart-simulation derived elastic 3D fibrous aerogels with rigidoxide elements and all-in-one multifunctions. Chem. Eng. J. 2022, 437, 135444.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722009470東南大學(xué)代云茜教授，利用制備人工納米纖維的最有效技術(shù)靜電紡為特色手段，圍繞能源、催化及環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用需求，專(zhuān)注于在多尺度上開(kāi)展納米纖維基復(fù)合材料的按需構(gòu)筑、表界面效應(yīng)、構(gòu)效關(guān)系的研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在Angew. Chem. Int.Ed.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.等化學(xué)、化工、材料類(lèi)著名學(xué)術(shù)刊物，累積影響因子>400。榮獲中國(guó)靜電紡絲與納米纖維技術(shù)“金絲鷺”優(yōu)秀青年獎(jiǎng)、江蘇省優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”金獎(jiǎng)指導(dǎo)教師獎(jiǎng)、《Advanced Fiber Materials》高被引作者獎(jiǎng)等。入選華英學(xué)者（限3人/2年，當(dāng)屆唯一女性入選者）、RSC Nanoscale新銳科學(xué)家、Wiley ChemNanoMat亞太地區(qū)杰出女性化學(xué)家、江蘇省六大人才高峰、江蘇省青年托舉人才、東南大學(xué)優(yōu)秀青年基金（A類(lèi)，限10人/年）、創(chuàng)業(yè)江北高層次人才。受邀擔(dān)任《Advanced Powder Materials》首屆特任編委、《Chinese Chemical Letters》青年編委。榮獲中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)14項(xiàng)、美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)。主編科學(xué)出版社十四五首批本科生規(guī)劃教材（在編）、東南大學(xué)優(yōu)秀研究生教材（在編），參編Springer Nature、Elsevier出版社學(xué)術(shù)論著3部。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
