气凝胶是一种具有多级、分形和无序结构的纳米多孔固体，具有极高比表面积，极低模量，极高透明度，极低热导率和极低声速等性质，曾被《Science》期刊列为十大新兴技术之一，被广泛应用于吸附、隔热、储能等领域。“超黑”气凝胶因其轻质和可集成功能，在复杂的光学系统中作为遮光材料的应用潜力巨大。当前，常见的超黑气凝胶通常通过碳化过程制备，但这一过程存在一些问题：碳掺杂可能破坏材料结构并增加脆性，制备工艺复杂且耗时长（需几个小时），以及制备过程中伴随碳排放，环保性较差。
为解决这一问题，北京航空航天大学物理学院吕广宏团队与谢勇团队联合合肥综合性国家科学中心能源研究院的孟献才团队，创造性地利用高能高通量氦离子注入的方法，在数十秒内快速制备了具有微米级仿生锥阵列和多个微腔结构的黑色二氧化硅气凝胶，实现了显著的消光效果。研究表明，该消光效果与锥阵列的高度密切相关，且可通过调节离子注入能量和剂量进行优化。具体而言，在40 keV、80s氦离子注入条件下，该气凝胶在可见光区域的透射率约为3%，反射率约为2%。此外，该气凝胶还表现出了优异的光热转换性能，室温下在1太阳能量密度照射下温度可升至超过65℃。
该工作以“Black Aerogel Based on Short-Time High-Flux He Ion Implantation”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。北京航空航天大学博士研究生赵鹏、彭加官、Nyachieo Kennedy Momanyi为共同第一作者，谢勇副教授和程龙副教授为共同通讯作者。
气凝胶薄膜的表面结构
参考自然界中部分鸟儿的羽毛通过倒钩结构的来实现黑色表面的案例，研究者利用高通量氦离子束流这把锋利的“剪刀”在气凝胶的表面进行“修剪”，成功得到了如图2所示的微米级尖锥阵列。结果表明，气凝胶表面形成的尖椎高度随着离子注入剂量和离子能量的增加而增加。在40 keV 80 s的离子注入条件下，气凝胶表面的尖锥高度可以超过46 μm，这一数值与鸟类倒钩结构的尺寸相当。此外，每个尖锥表面具有多尺寸分布的微腔结构，并且在40 keV离子能量下形成的微腔尺寸要显著高于在10 keV离子能量下形成的微腔尺寸。这种微腔结构能够进一步增强光在气凝胶表面的散射过程，能够尽可能的让入射光“停”在气凝胶薄膜的表面，从而降低透过率。
图1 通过氦离子对二氧化硅气凝胶表面改性实现的仿生结构消光。设计灵感来源于自然界中蝴蝶翅膀、甲虫壳和鸟羽毛等黑色表面结构。
图2. 不同氦离子注入条件下，气凝胶表面形态的变化。随着注入时间和离子能量增加，气凝胶表面逐渐形成了更高、更复杂的锥形结构。此外，通过Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM)软件模拟，给出了计算的氦离子在气凝胶中的穿透深度，与实验有较好的对应。
气凝胶薄膜的光学特性
得益于形成的尖椎结构和微腔结构，硅基气凝胶薄膜在离子注入后，其透过率和反射率均有明显下降。在离子注入前，硅基气凝胶薄膜在可见光波段的透过率和反射率分别约为94%和5%。在40 keV 80 s的离子注入条件下，气凝胶薄膜的透过率和反射率分别下降至3%和2%，颜色也由透明（微蓝色）转变为黑色。此外，在离子注入后，气凝胶薄膜在红外波段的透过率也有了明显的下降。研究者在上述研究的基础上，通过对气凝胶的上下表面均施加离子注入，得到了在可见光波段透过率和反射率均约为1%的超黑气凝胶薄膜。上述结果表明，高束流氦离子注入能够显著的减低气凝胶在多个波段的透过率，是制备气凝胶遮光材料的可选方案之一。
图3. 原始气凝胶和黑气凝胶在不同条件下的光透射率、反射率和吸收率。
气凝胶薄膜的光热转换
在前面的研究中，研究者可以发现离子注入后气凝胶对光的吸收能力得到了明显的增强。高光吸收率可能会引起高光热转换，因此研究者进一步研究了离子注入后气凝胶薄膜的光热转换能力。结果表明，在40 keV 80 s离子注入后的气凝胶薄膜能够在1个太阳能量密度（波长为300-800 nm）下，把表面温度从室温提高到65°C以上。这一数值与报道的碳气凝胶数值相当，证明这种薄膜具有出色的光热转换能力。此外，将这种气凝胶薄膜置于手上后，可以在0.5个太阳能量密度的条件下，将表面温度升至超过50 ℃。这一数值要超过细胞的热消融温度（47 ℃），证明该薄膜在热疗领域也有一定的应用前景。值得一提的是，研究者提出的氦离子注入技术是一种表面改性技术，气凝胶薄膜黑色层底下的纳米网络结构能够较好的保留。因此，这种黑色表面的实现还保留了硅基气凝胶的孔隙率、高比表面积、低密度等优良性能。
图4. 黑气凝胶在不同条件下的光热转换性能。
总结：区别于传统碳化方法，本工作创新性地利用高通量氦离子注入的方法对气凝胶表面进行仿生结构设计来实现黑色遮光气凝胶薄膜的构筑。该消光效果并非由化学成分变化引起，而是源于与自然界中蝴蝶翅膀、鸟羽毛等黑色界面类似的光学机制，通过精细的结构设计实现了深度黑色效果。该气凝胶在实现“超黑”表面的同时，仍保持了硅气凝胶的多孔性、高比表面积和低密度等优异特性，具有出色的光热转换效率和热稳定性，因此可应用于光催化、光热疗法和隐身技术等领域。展望未来，这种黑色气凝胶的制备方法有望推广至其他气凝胶系统，如碳气凝胶、纤维素气凝胶和金属气凝胶，结合成分遮光和结构遮光的优势，以更精确地调节超黑性能，为新型高性能黑色材料的开发提供了新途径。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408995
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