随着全球温室效应和水污染的加剧，开发用于污水净化和绿色建筑的轻质、多孔、多功能材料具有重要的意义。由于其低密度、高孔隙率和低导热性等特性，气凝胶在科学研究和工程应用方面都引起了广泛关注。然而，尽管近年来开发具有综合性能的新型气凝胶有了不少进展，但目前其机械性能、热稳定性以及不同组分间的相容性仍是限制其大规模应用的主要因素。
复旦大学游波教授等人受丹参叶强疏水特性的启发，制备了一种具有丹参叶状结构的新型超疏水性多功能芳纶-聚酰亚胺纳米复合气凝胶。作者通过原位硅氧烷缩聚方法在气凝胶表面覆盖了许多球形和半球形二氧化硅纳米粒子，用于构建类似丹参叶的超疏水气凝胶。该气凝胶表现出良好的机械性能和超疏水性，水接触角为152°，滚动角为8.3°。此外，该气凝胶具有低热导率、优异的金属离子吸附能力和出色的油水分离能力，即使在压缩50次后仍能保持80%的吸附容量。这项工作为以更通用和实用的方式制造仿生高性能轻质材料提供了新的思路。该研究以题为“Superhydrophobic and Multifunctional Aerogel Enabled by Bioinspired Salvinia Leaf-Like Structure”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【丹参叶状气凝胶的制备】
受丹参叶的特殊结构和性能启发，作者提出了一种简单而通用的原位硅氧烷缩聚反应来制备多孔结构的超疏水和多功能硅氧烷增强的芳纶-聚酰亚胺纳米复合气凝胶。作者首先通过冷冻浇铸和酰亚胺化方法制备气凝胶骨架，然后利用部分硅氧烷单体在多孔骨架结构上形成薄膜，以提高气凝胶的力学性能。剩余的硅氧烷演变成二氧化硅颗粒，通过Si-O-Si键固定在骨架上，以此来模拟丹参叶的粗糙表面。最后，作者通过低表面能硅氧烷对其进行改性以获得超疏水气凝胶。由于粗糙表面和低表面能的结合，所得气凝胶无法被水滴润湿，表现出良好的超疏水特性。
【气凝胶的机械、疏水性能】
作者进一步研究了气凝胶的机械性能，以了解硅氧烷的强化作用。在原位硅氧烷缩聚后，气凝胶的最大应力和压缩模量分别提高了174%和245%。这是由于气凝胶表面的聚有机硅氧烷薄膜有效提高了气凝胶的机械性能。此外，气凝胶表现出了优异的弹性，即使应变增加到60%，也可完全恢复。基于Cassie-Baxter模型，作者结合粗糙的微纳米结构与低表面能设计得到了超疏水的气凝胶材料，其动态防水行为显示出低粘附性，水接触角为152°，滚动角为8.5°。气凝胶表面的水滴可以通过超亲水纸轻松去除，且无任何残留。高度多孔结构和由球形和半球形二氧化硅纳米粒子构成的粗糙表面产生了微纳米结构和低表面能的完美结合，从而模仿了丹参叶并实现了超疏水行为。
【丹参叶状气凝胶的多功能应用前景】
基于高度多孔的结构、优异的压缩行为和超疏水性，作者进一步探索了气凝胶的潜在应用，如隔热、金属离子吸附和油水分离。由于固有多孔结构和低密度，气凝胶展现出低热导率≈28.4 mW (m K)−1。作者通过红外相机证实了气凝胶良好的隔热能力，有望应用于保温领域。此外，气凝胶可用于对金属离子的吸附，铜离子能被气凝胶快速去除，吸附效率在20分钟内达到近100%。作者还展示了超疏水气凝胶的油水分离性能，能将氯仿、正己烷迅速吸收，且50次循环后仍保持≈80%的初始吸附容量。第50次吸油后，作者测量了气凝胶的水接触角，仍能达到150°。这些结果进一步证明了聚有机硅氧烷薄膜和二氧化硅颗粒在芳纶-聚酰亚胺纳米复合气凝胶表面的稳定性以及由此获得的气凝胶的持久超疏水性。
总结：作者通过原位硅氧烷缩聚法成功地仿生丹参叶的微观表面形态和疏水行为，构建了硅氧烷增强的芳纶-聚酰亚胺纳米复合气凝胶。在粗糙表面和低表面能的共同作用下，该气凝胶的水接触角为152°，滚动角为8.3°，显示出其优异的超疏水性。此外，该气凝胶表现出接近空气的低热导率、优异的金属离子吸附能力和出色的油水分离能力。这项工作为高性能气凝胶的开发提供了一种通用且方便的新策略。
