浙江大學高超教授團隊，最新Science！
2025-07-18 13:18:43
作者：本網發布 來源：高分子科學前沿
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科學家打造“圓頂”氣凝膠，極端環境下依舊堅韌回彈
氣凝膠因其超高孔隙率和極低密度而廣泛應用于空間探索、熱管理和催化等領域。然而，傳統氣凝膠常因結構脆弱而無法承受極端熱-力環境，嚴重限制其應用場景。此前通過結構設計改善彈性的方法雖取得一定進展，但在超過2000 K高溫下仍面臨結構坍塌的風險，無法真正實現“超級彈性”與“超高耐熱”兼具的材料突破。針對這一挑戰，浙江大學高分子科學與工程系高超教授、劉英軍研究員與許震研究員開發出一種創新的二維通道限域化學策略，構建了194種“圓頂細胞”結構的超輕氣凝膠。這些氣凝膠不僅在超寬溫度區間（4.2 K到2273 K）內表現出優異彈性，而且具有極高的熱穩定性和耐疲勞性，展示出在極端熱力環境下作為結構材料的巨大應用潛力。相關研究成果發表在《Science》上，第一作者為龐凱副研究員，夏雨星，Xiaoting Liu和西安交通大學Wenhao Tong為共同一作。
作者通過二維通道限域化學方法，制備出一系列具有圓頂結構單元的氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物及35種金屬，甚至可拓展至包含多達30種元素的高熵體系。作者提出了“圓頂細胞”作為基本單元：這種雙主曲率的結構借鑒生物學與建筑學中圓頂的力學穩定優勢，在有限空間內可形成豐富的可回復褶皺以儲存彈性能（圖1A-D）。該合成路線以商業化氧化石墨烯（GO）薄膜為前驅體，依次經歷離子捕獲、鼓泡成型與熱轉化三個步驟（圖1A）。其中，離子被限域在GO層間通道，通過泡沫反應形成球形氣泡結構，再經熱處理轉化為氧化物、金屬或碳化物氣凝膠。最終所得結構在不同尺度上均表現出高度有序的圓頂形貌（圖1E-F），并具備跨尺度的結構均一性。
圖 1.基于石墨烯的 2D 通道限域化學，用于圓頂細胞氣凝膠通過該策略，團隊建立了一個由194種不同化學組分構成的圓頂氣凝膠“材料圖書館”（圖2A），涵蓋從一元、二元、三元到高熵體系。這些氣凝膠密度極低，部分低于空氣（<1.29 mg/cm³），可輕盈地漂浮于花瓣之上。掃描電鏡顯示其結構單元為尺寸在70~140 μm范圍的圓頂狀中空單元，墻體厚度小于10 nm，完全由二維晶粒交聯構成（圖2B-E），實現了極低密度與高力學穩定性的兼容。尤其值得一提的是，高熵體系中最多可均勻混合30種元素，具備高度原子級均一性（圖2F），為拓展功能屬性如磁、電、熱等多場耦合奠定基礎。
99%形變下2萬次循環無損傷：極端熱力下的“橡皮筋”在超強力學性能方面，圓頂氣凝膠展現出超彈性特征。在99%應變下反復壓縮20,000次后，幾乎無殘余形變與強度退化（圖3A）。尤其在4.2 K至2273 K的極端溫區，碳化物氣凝膠始終保持完整回彈能力（圖3D-E）。SEM原位觀測顯示，圓頂結構在壓縮時出現大量細小褶皺，有效避免了致密接觸并促成彈性恢復（圖3B）。相較之下，對照組蜂窩結構在大應變下則明顯失去回復能力。在熱力耦合測試中，碳化物圓頂氣凝膠于液氦溫度（4.2 K）和超高溫（2273 K）下分別進行了100次壓縮循環，均未出現結構塌陷或性能衰減，展現出超常規的熱力穩定性。即使在明火（1573 K）雙面灼燒條件下，樣品仍能維持完整形態和應力響應（圖3F），驗證其極端環境適應能力。
圓頂氣凝膠在熱導率方面同樣展現出卓越表現。特別是碳化物類（如TaC、(ZrTaNbTiHf)C）在1273 K和2273 K高溫下分別達到僅53.4 mW/m·K與171.1 mW/m·K的超低熱導（圖4A），遠優于傳統硅膠、礦棉和陶瓷材料。這種性能歸因于其二維薄壁結構造成的熱輸運各向異性（圖4C），以及固體間熱輸運路徑稀疏和晶界多樣等因素。在熱沖擊測試中，樣品連續承受100次從298 K躍升至2273 K的脈沖熱沖擊后仍保持結構穩定與熱導不變（圖4C）。此外，8 mm厚的TaC氣凝膠甚至能在明火中保護鮮花5分鐘不被燒焦（圖4D），顯示其極端熱屏障能力。與現有各類高溫絕熱材料對比，該類氣凝膠在熱導-耐溫圖譜中表現出最優綜合性能（圖4E-F）。
本研究提出的二維通道限域化學方法及圓頂細胞結構設計，為開發極端環境下使用的超輕超彈氣凝膠開辟了新方向。所建立的194種圓頂氣凝膠圖譜，不僅在4.2 K至2273 K溫區內具備優異力學與熱穩定性，還實現了超低熱導率與極端耐久性的結合，為航天器熱防護、火箭噴管襯層、深空探測器外殼等提供了全新材料解決方案。未來，借助該類氣凝膠在成分與結構上的廣闊設計空間，團隊有望進一步引入光、電、磁等多功能耦合屬性，為極端工況下的多功能材料發展注入新動能。
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