香港大學徐立之團隊Nat. Commun.：超連接網絡結構的復合高分子納米纖維實現超強氣凝膠

由纖維組裝而成的多孔網絡是一種高效的材料結構設計。大自然利用這種設計來建造各種承重生物組織。以軟骨、骨小梁和植物組織的微觀結構為例，這3D纖維網絡提供了物理強度、重量輕、質量滲透性和表面功能的結合。雖然大量的工作致力于利用3D纖維網絡制造輕質材料，但實現高機械強度和可擴展制備的方法仍然有限。

鑒于此，香港大學機械工程系徐立之教授團隊報道了一種新型的具有自組裝三維網絡的芳綸納米纖維復合材料的超強聚合物氣凝膠（CNA）。納米組分之間的相互作用使得纖維之間具有高節點連通性和強交聯的網狀結構。同時進行的三維網絡的理論模擬表明，即使在固體含量不變的情況下，高度連接的纖維以及強交聯的節點可能會導致宏觀力學性能提高幾個數量級。所獲得的聚合物氣凝膠的拉伸模量為~625.3 MPa cm³?g^?1，斷裂能為~4700 J m^?2，這種出色的機械強度有利于各種結構應用。此外，由于制備方式簡單，可加工性強，這種氣凝膠可被應用于制備各種功能的器件，如可穿戴電子設備、熱隱身和過濾膜等。該工作為制備高強度纖維氣凝膠提供了一種新的思路。這項工作以“Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nanofibers”為題發表在《Nature Communication》。該論文的共同第一作者為香港大學機械工程系博士研究生何慧敏和博士后研究員魏茜。通訊作者為徐立之和林原教授。

圖1 材料設計與結構表征。a， CNA的制備過程示意圖。b, CNAs中ANF和PVA分子間相互作用示意圖。c，三維網絡中涉及原纖維捆綁和連接的CNA示意圖。d, e各向同性CNA (d)的SEM圖像和高度定向各向異性CNA (e)。f,密度為0.02 g cm?3的大體積CNA樣品的照片。g，半透明的CNA膜的照片。h，紅外激光加工的CNA樣品。i, j，CAN樣品在壓縮(i)和拉伸(j)的照片。

圖2 機械性能。a，孔隙率為76% ~ 91%的CNAs的拉伸曲線。b，不同孔隙度的CNAs壓縮應力-應變曲線。c，CNAs的拉伸模量與密度的函數關系，由實驗表征和理論擬合得到。d，CNAs的斷裂能與其孔隙度的關系。e，具有高取向原纖的CNA樣品的各向異性拉伸響應，分別從平行和垂直于原纖取向的方向測量。f，與其他高力學性能聚合物氣凝膠相比，CNAs的韌性和比拉伸模量。

圖3理論模擬。a，銷節桁架網絡的例子說明了不同的剛度水平源自不同的節點連接。b, c，CNA的SEM圖像，為隨機三維網絡，節點高連通性。d，用線性彈簧和旋轉彈簧連接每對交聯原纖維的示意圖模型。如果一個焊接節點包含3根交聯的原纖維，則會引入3對線性彈簧和旋轉彈簧來表示它們之間的互聯。e,代表CNA的3D網絡，節點平均連通性為`z=5.4。f, g平均節點連通性對模擬的隨機三維網絡的壓縮(f)和拉伸(g)響應的影響。`z=5.4的模擬結果與CNA-76的實驗結果吻合。節點強度由交聯劑的結合能E (h)表示，節點剛度由交聯劑的彈簧常數ks (i)表示，對于節點平均連通性為`z=5.4的模擬三維網絡的拉伸響應的影響。

圖4 潛在的應用。a，用作空氣過濾器的CNA膜的示意圖。b不同孔隙度CNAs的孔徑分布。c，面部速度為0.05 m s^?1時，20 μ m厚的CNA膜上的氣壓降。d，與商業MCE膜相比，CNA膜對空氣中細菌的過濾效率。600 nm波長處的光密度(OD600)與電池濃度成正比。e， kirigami CNA膜具有導電油墨的圖案，滲透到多孔結構中，用作可穿戴電子設備的電極和互連。f, g， kirigami型CNA膜在人體皮膚動態三維表面上的整合性(g)與無kirigami型CNA膜相比(f)。h，不同孔隙度的CNA的熱導率。i， CNA和純ANF的紅外透過率光譜，與人體輻射光譜進行比較。j，照片和紅外熱圖像顯示了與硅橡膠相比的CNA膜的熱隱身行為。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31957-2

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