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復旦《AFM》：超疏水多功能氣凝膠！具有仿生鼠尾草葉狀結構

2022-03-24 14:31:50 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

隨著全球溫室效應和水污染的升級，我們日常生活中與高溫環境和無保障水源相關的疾病風險急劇增加。緩解這些問題的措施包括為污水凈化和節能建筑開發輕質、多孔和多功能材料。目前，對功能化材料的仿生探索對化學和材料科學來說仍然非常重要，盡管生物的大多數巧妙結構和功能沒有得到精確模擬。

來自復旦大學的學者從鼠尾草葉的強疏水性中得到啟發，制備了一種具有鼠尾草葉狀結構的新型超疏水多功能芳綸聚酰亞胺納米復合氣凝膠（簡稱Bio-ANFPI氣凝膠）。Bio-ANFPI-1氣凝膠表面覆蓋有許多通過原位硅氧烷縮聚方法生成的球形和半球形二氧化硅納米顆粒，類似于薩爾瓦多葉的表面，這有助于基于Cassie-Baxter模型構建超疏水氣凝膠（Bio-ANFPI-2）。結果表明，Bio-ANFPI-2氣凝膠的最大應力和壓縮模量分別提高了174%和245%。此外，Bio-ANFPI-2氣凝膠具有超疏水性，水接觸角為152°，滾動角為8.3°。此外，氣凝膠具有較低的熱導率、優異的金屬離子吸收能力以及令人印象深刻的油吸收能力，使其初始值保持在壓縮率88%，并且在50次循環后的壓縮率為80%。總的來說，這項工作可以使制造仿生高性能輕質材料的方式更加通用和實用。相關文章以“Superhydrophobic and Multifunctional Aerogel Enabled by Bioinspired Salvinia Leaf-Like Structure”標題發表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110830

圖1。a）鼠尾草葉的照片和b）相應的顯微結構。c）經典的卡西-巴克斯特表面潤濕狀態。d）化學剝離ANF和水溶性PAS。e）通過冷凍干燥和退火制備ANFPI氣凝膠。f） ANFPI氣凝膠浸泡在TEOS和KBE-803的水解液中。g）具有粗糙仿生表面的Bio-ANFPI-2氣凝膠。

圖2. 氣凝膠的分級形態和化學特性。a–c）ANFPI，d–f）Bio-ANFPI-1，g–i）Bio-ANFPI-2氣凝膠的形態。j） ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的FTIR光譜。k） Bio-ANFPI-1氣凝膠的固態29SiNMR譜。l） Bio-ANFPI-1和2氣凝膠的分級形態模型。m）煅燒前后的Bio-ANFPI-2氣凝膠照片和相應的SEM圖像。

圖3. ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的機械性能。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠在60%應變下的壓縮應力-應變（δ-ε）曲線。b）ANFPI氣凝膠、c）BioANFPI-1氣凝膠、d）Bio-ANFPI-2氣凝膠在20%、40%和60%應變下的壓縮δ-ε曲線。

圖4. Bio-ANFPI-2氣凝膠的超疏水性能。a） Bio-ANFPI-2氣凝膠的動態拒水行為。b） Bio-ANFPI-2氣凝膠的水接觸角（WCA）和滾動角（RA）。c）ANFPI氣凝膠、d）ANFPI-F氣凝膠、e）Bio-ANFPI-2氣凝膠表面靛藍染色的水滴及其高吸水紙去除過程。

圖5. 生物ANFPI氣凝膠的應用。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2氣凝膠的熱導率。b）Bio-ANFPI-1氣凝膠對銅離子的吸附效率和c）吸附機理。d）在水層（Bio-ANFPI-2氣凝膠）下選擇性吸收重油（氯仿）。e）輕油（正己烷）在水上的選擇性吸收（Bio-ANFPI-2氣凝膠）。使用f）機械擠壓和g）蒸餾解吸的Bio-ANFPI-2氣凝膠對正己烷的吸收回收能力。

綜上所述，本文通過原位硅氧烷縮聚法成功地模擬了鼠尾草葉片的微觀表面形態和疏水行為，構建了硅氧烷增強的芳綸-聚酰亞胺納米復合氣凝膠（Bio-ANFPI-1和2）。通過利用具有不同功能的硅氧烷，同時形成了二氧化硅納米顆粒和聚有機硅氧烷薄膜。前者用于模擬鼠尾草葉片的粗糙表面，后者用于增強氣凝膠的機械性能，并將二氧化硅顆粒固定在氣凝膠的骨架上。結果表明，Bio-ANFPI-2氣凝膠的最大應力顯著增加了174%，壓縮模量也增加了245%。在粗糙表面和低表面能的共同作用下，Bio-ANFPI-2氣凝膠具有152°的WCA和8.3°的RA，顯示出其優異的超疏水性。更重要的是，氣凝膠具有接近空氣的低熱導率、優異的金屬離子吸附能力和優異的油水分離能力。本文的工作可以提供一種通用且簡單的方法來促進高性能氣凝膠的開發。

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