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多校聯(lián)合開發(fā)碎冰模板法制備多孔氣凝膠材料
作者：李清波 來源：中國科學(xué)報(bào)
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近日，清華大學(xué)伍暉教授聯(lián)合北京大學(xué)韋小丁教授、南京大學(xué)朱嘉教授和中北大學(xué)李偉偉副教授等合作在多孔低維材料組裝體的制備上取得了重要進(jìn)展，發(fā)展了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過將低維材料漿料冷凍在旋轉(zhuǎn)的低溫滾筒表面上后將其粉碎，然后將碎冰與漿料混合重新冷凍鑄造來大規(guī)模制備一種各向同性氣凝膠。高冷凍速率的旋轉(zhuǎn)滾筒冷凍和碎冰加入后的形成的多冰核生長位點(diǎn)能夠有效提高冷凍效率，從而提高了大尺寸多孔結(jié)構(gòu)材料的制備效率。該方法適用于多種低維材料，為多孔結(jié)構(gòu)材料的大尺寸生產(chǎn)提供了新思路和新機(jī)遇。相關(guān)研究成果以《基于柱狀晶到等軸晶轉(zhuǎn)變的各向同性納米纖維氣凝膠的大規(guī)模組裝》為題，發(fā)表于《自然-通訊》期刊。
冰模板法常用于在多孔結(jié)構(gòu)材料的制備中實(shí)現(xiàn)精確的結(jié)構(gòu)控制。對于傳統(tǒng)的定向冷凍鑄造工藝，冰晶傾向于在低溫區(qū)附近形核并沿著溫度梯度方向生長成柱狀晶，而當(dāng)制備大尺寸樣品時(shí)，伴隨著冷凍過程中溫度梯度的消失和熱傳遞的減少，冰晶生長將逐漸減慢甚至停止，從而嚴(yán)重限制了多孔結(jié)構(gòu)材料的制備效率和厚度尺度。目前對于冷凍鑄造過程中的形核位置少和生長效率低的問題仍有待解決。并且對于冰模板法制備的多孔隔熱材料，定向冷凍得到各向異性結(jié)構(gòu)中的中空管道將成為熱、電子或聲學(xué)傳輸?shù)摹案咚俟�路”。為了達(dá)到更好的隔熱性能，目前也引入了多種策略來調(diào)節(jié)冰模板法中的微觀結(jié)構(gòu)形成。 
該團(tuán)隊(duì)通過人工引入的碎冰在漿料中增加了冰晶的生長位點(diǎn)，并改變了傳統(tǒng)冷凍鑄造過程中單一的溫度梯度，所有預(yù)先存在的和隨機(jī)分布的冰晶都可以作為原始生長點(diǎn)，相鄰的冰晶將在沒有有利位置或取向的情況下無規(guī)則生長，從而實(shí)現(xiàn)了冷凍過程中沿著溫度梯度的柱狀冰晶向等軸冰晶的轉(zhuǎn)變。等軸冰晶的高度隨機(jī)堆疊將納米纖維組裝成具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曲折通道的重復(fù)微尺度單元，形成的曲折和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)將成為熱、電子或聲學(xué)傳輸?shù)挠行�屏��。隨后研究團(tuán)隊(duì)以Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠為研究對象來研究碎冰模板法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于形成了各向同性的胞腔結(jié)構(gòu)，所獲得的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠表現(xiàn)出低密度、超彈性、良好的耐損傷性和抗疲勞性，以及超低的熱導(dǎo)率。此外，在光學(xué)和熱導(dǎo)率方面也觀察到顯著的結(jié)構(gòu)各向同性。基于上述氣凝膠良好的機(jī)械柔性、高溫穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)率，高能量密度電池模塊中的破壞性熱失控傳播過程可以被Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠層有效阻擋。并且氣凝膠的低密度使得整個(gè)系統(tǒng)的重量增加可以忽略不計(jì)，因此該氣凝膠有望在各種熱保護(hù)場景中發(fā)揮巨大潛力。 
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41087-y
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