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中科院科学家制备氮化硼纳米带气凝胶 1000 °C下仍保持超柔性-岩拓气凝胶

中科院科学家制备氮化硼纳米带气凝胶 1000 °C下仍保持超柔性

4月1日,记者了解到,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员领导的气凝胶团队与德国科学家合作,将实验设计与理论计算相结合,通过溶剂组分调控氢键网络,寻找到一条简便、高效、绿色的合成路径,成功制备得到超柔性氮化硼纳米带气凝胶,并实现了气凝胶材料在很宽温度范围内(-196 °C——1000 °C)及不同载荷冲击形式(压缩、弯曲、扭曲、剪切等)下的柔性保持。

中科院科学家制备氮化硼纳米带气凝胶 1000 °C下仍保持超柔性

研究表明,该氮化硼气凝胶由超薄(——3.2 nm)、大长径比(几百)、多孔带状纳米结构相互缠绕、搭接而成,表现出超轻(——15 mg cm-3)、热绝缘(——0.035 W/mK)、高比表面积(——920 m2 g-1)及优异的力学性能。该气凝胶在多次循环压缩、扭曲、弯曲、剪切等不同载荷下,可保持结构不被破坏、且可快速恢复至原有形状。当该气凝胶被浸泡在液氮中,其压缩-回弹性能仍能够很好保持。进一步地,当氮化硼气凝胶被放置于酒精灯火焰或高于1000 °C的管式炉(空气氛围)时,其稳定的力学柔性仍被完好保留,且可承受不同载荷的冲击。上述氮化硼气凝胶的超柔性展示如下图所示。

中科院科学家制备氮化硼纳米带气凝胶 1000 °C下仍保持超柔性

获得的超柔性氮化硼气凝胶有望在航空航天的隔热透波、核反应堆的核防护及热防护等高端领域获得实际应用。该工作以“Boron Nitride Aerogelswith Super-Flexibility Ranging from Liquid Nitrogen Temperature to 1000 °C”为题,发表在国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2019,29, 1900188)上。

据了解,气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。密度为3kg每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。

中科院科学家制备氮化硼纳米带气凝胶 1000 °C下仍保持超柔性

略低于比空气密度,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小(纳米量级),所以可见光经过它时散射较小(瑞利散射),就像阳光经过空气一样。因此,它也和天空一样看着发蓝(如果里面没有掺杂其它东西),如果对着光看有点发红。(天空是蓝色的,而太阳看起来有点红)。由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间,玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中,使用来作为切连科夫效应的探测器。位在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle 实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鉴别器,就是一个最新的应用实例。这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性,还有其高透光度与固态的性质,优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。同时,其轻量的性质也是其中一个优点。

科学家声称,气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂,让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中,科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能产生有序的结构,但依赖于模板的精细结构和尺寸,难以大量制备。

高超课题组另辟蹊径,探索出无模板冷冻干燥法:将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干,便获得了“碳海绵”,并且可以任意调节形状,令生产过程更加便捷,也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

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