中国科大余彬教授ACS Nano：仿生纳米结构动态聚亚胺气凝胶，绿色可持续材料领域的新突破

近日，由中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室余彬教授团队主导的研究成果发表在《ACS Nano》期刊上，标题为《Biomimetic Nanostructured Polyimine Aerogels with Graded Porosity, Flame Resistance, Intrinsic Superhydrophobicity, and Closed-Loop Recovery》。该研究成功开发了一种由生物质材料构筑的动态交联聚亚胺气凝胶，不仅具备优异的力学性能、隔热性能，还具备可回收与可降解特性，为推动绿色可持续材料的研究和实际应用提供了新方向。博士生何红飞为本研究的第一作者，余彬教授和宇平教授为共同通讯作者。

1. 1.     关键创新点与设计理念

研究团队利用动态共价键技术构建了可逆交联网络，使气凝胶具备超快速降解能力，并能够实现化学单体的闭环回收再利用。这种设计灵感来源于自然界植物的结构特性，如仿莲叶的超疏水多级粗糙表面与仿树干的各向异性孔隙结构，赋予气凝胶优异的机械性能（轴向压缩强度达2.2 MPa）、低导热系数（横向为0.0257 W/(m·K)）及卓越的阻燃性（极限氧指数达36%）。此外，该气凝胶表现出极高的疏水性，接触角高达154°，在油水分离、定向液体传输及储能等领域展示出广泛的应用潜力。

图1. 动态气凝胶的设计策略

1. 2.     环保与可持续性

本研究采用来源于木质素的生物基单体与功能性作为原料，通过动态亚胺键实现了高度交联的三维气凝胶网络。这种结构不仅减少了传统高分子材料对化石资源的依赖，还使气凝胶具备快速降解和完全回收的能力，可在闭环系统中实现零排放的材料循环再利用，大幅降低了环境负担。

图2. 动态气凝胶的多种回收策略

1. 3.     制备工艺与结构优势

研究团队利用定向冻结干燥技术，成功制备出具有梯度孔隙分布的仿生气凝胶。这种技术通过控制溶剂结晶的方向性，实现了细腻的垂直通道和蜂窝状孔隙结构，显著增强了材料的各向异性特性，特别是其在液体定向输运中的性能。气凝胶展现出良好的形态可塑性，其超轻特性（密度仅为55 mg/cm³）甚至可稳定地放置在花瓣上。此外，气凝胶还具有独特的“仿生结构”，通过分层粗糙表面（类似莲叶）实现超疏水性与抗污性能，可在水油混合物中快速吸附油分离水。此外，其多孔结构和导向通道还能实现液体逆重力输运，为气凝胶在微流体和油污治理中的应用开辟了新方向。

图3. 动态气凝胶仿生结构

1. 4.     力学性能与热管理能力

这种气凝胶在轴向压缩下表现出优异的力学性能，能够承受约8000倍自身重量的水桶压载而不发生显著变形。同时，其隔热性能在极端环境下表现突出，导热系数接近空气（0.023 W/(m·K)）。例如，在-40°C的低温下，气凝胶表面温度可维持在-7°C，而在高温（120°C）条件下则展现出良好的隔热效果。此外，其负泊松比特性和疲劳恢复能力进一步提升了材料在复杂工业条件下的实用性。

得益于其绿色可持续的材料属性，该气凝胶在油水分离、储能、电磁屏蔽及阻燃等领域具有广阔应用前景。例如，实验显示该材料在油水分离中能够快速、高效地吸附油污并实现液体的定向传输。此外，其阻燃性与低导热性使其成为航空航天和建筑保温领域的潜在关键材料。这项研究不仅在材料科学中实现了生物质材料的高效利用，更在环境保护与资源回收领域树立了新标杆。通过动态共价网络与仿生结构的结合，该团队为下一代功能性气凝胶材料的设计提供了全新思路，同时为应对全球资源与环境危机提供了技术支持。