作为世界上最轻的材料之一，气凝胶被广泛应用于保温隔热、电磁屏蔽、环境保护等领域。然而，由于其强度较低，在某些特定环境中的应用受到严重限制。天然材料精致的结构和优异的特性为改善气凝胶的性能提供了指导。尽管仿生气凝胶作为一种新兴的材料已经受到研究人员的广泛关注，然而，到目前为止与仿生气凝胶材料相关的综述论文寥寥无几。
近期，陕西科技大学张美云教授和杨斌副教授团队对仿生技术以及仿生气凝胶材料的类型、制备方法以及在各个领域的最新研究进展进行了全方位的分析、归纳和总结，对仿生气凝胶材料目前面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望。该工作为制备结构巧妙、性能卓越以及用途广泛的多功能仿生气凝胶材料提供了宝贵的见解。该工作以题为“Bioinspired Aerogels: Ingenious Structure, Remarkable Performance, and Versatile Applications”发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。文章第一作者是陕西科技大学博士研究生孙浩。
图1 从自然生物体及其微观结构到仿生气凝胶材料及其应用的示意图。
本文对仿生气凝胶材料的类别、制备方法以及应用领域进行了全方位的总结和归纳，并分析了从生物材料过渡到仿生气凝胶材料的重要方法。通过集中讨论仿生气凝胶材料的基本特性，希望为该领域的发展提供一个简明概要。为促进仿生气凝胶材料的发展，本文提出了仿生气凝胶材料在科学研究中所存在的挑战及解决策略。
首先，由于生物材料的固有特性难以复制，通过模仿生物材料得到的仿生气凝胶要获得与生物材料完全相同的特性具有很大的挑战性。对于仿生高强度各向异性气凝胶而言，揭示其力学性能与取向结构之间的关系、建立理论模型、实现气凝胶网络在分子、微纳米尺度上的精确设计仍需进一步探索。在仿生的异质复合气凝胶体系中，设计异质界面分子的相互作用仍然是一项艰巨而富有挑战性的任务。从生物材料的微观结构入手，精确模仿这些结构并更深入地挖掘其具有特殊功能的机理，是未来制备多功能仿生气凝胶材料的关键。
此外，尽管近年来仿生气凝胶的制备工艺正在逐步优化，应用领域也更加广泛，但在材料的成型和干燥过程中，传统的超临界干燥和真空冷冻干燥仍然不可或缺。这一过程不仅耗时，而且严重依赖于设备。因此，简化气凝胶的制备工艺、缩短其生产周期、提高其制备效率是未来仿生气凝胶材料发展的重要方向。
最后，与传统隔热保温材料相比，仿生气凝胶材料虽优势明显，但生产成本较高，价格昂贵。有效降低仿生气凝胶材料的成本，一方面有赖于制备工艺的突破，另一方面要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
与挑战并存的是仿生气凝胶材料的光明前景。为了满足各行各业日益增长的需求，未来的仿生气凝胶材料需要具备多功能性，例如优异的导电性、高孔隙率、低导热性、优异的拉伸性能和敏感性，从而实现其在电磁屏蔽、隔热阻燃、催化、传感等多领域的应用。由于这些恰好是大多数生物材料的固有特性，因此仿生气凝胶材料在未来大有可为。同时，为了满足实际应用的需要，应采用具有良好力学性能的原材料和利用改进的制备技术进一步提高仿生气凝胶的强度。此外，新型仿生气凝胶材料还应具有良好的环境稳定性，如耐酸碱、耐高低温、不易氧化等。因此，利用芳纶纳米纤维或聚酰亚胺纳米纤维等高性能纤维与功能性物质相结合，制备多功能仿生气凝胶材料是一种很有前景的选择。在未来，仿生气凝胶的回收和循环利用也是大规模应用所不可或缺的。例如，在污水处理应用中，对气凝胶的需求量巨大，因此要求气凝胶可以重复使用。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta00851k
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