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木材作為一種用途廣泛的材料和豐富的資源，具有低密度、低導(dǎo)熱、良好的機(jī)械性能和可持續(xù)性等特性，已被廣泛使用了數(shù)千年。近年來，基于對(duì)木結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，各種具有獨(dú)特物理性能和廣泛應(yīng)用的仿木材料也被開發(fā)出來，其中，具有優(yōu)良保溫性能的氣凝膠是最重要的研究課題之一?；谒芰虾蜆渲姆履練饽z受到生物降解性差的嚴(yán)重限制，這會(huì)導(dǎo)致廢物的積累并帶來嚴(yán)重環(huán)境問題。而基于現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)基元的仿木氣凝膠則受到其可持續(xù)性不足和成本高的限制。因此，為解決目前材料的不可持續(xù)性問題，開發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型構(gòu)筑基元將對(duì)仿木氣凝膠的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種經(jīng)過自下而上的策略，利用天然生物質(zhì)和天然礦物為原料，制備了一種具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠。相關(guān)成果以“Anall-natural wood-inspired aerogel”為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62(6), e202211099）。論文共同第一作者為博士研究生韓子盟和孫文彬，通訊作者為合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的管慶方副研究員和俞書宏院士。

圖1.全天然氣凝膠的制備與結(jié)構(gòu)。（a）木屑顆粒表面納米化和仿木結(jié)構(gòu)構(gòu)造過程示意圖；（b-d）天然木材及其取向通道結(jié)構(gòu)；（e-g）全天然海綿及其取向通道結(jié)構(gòu)。

研究人員通過巧妙的表面化學(xué)調(diào)控方法，成功實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下活化微米尺度的木屑顆粒表面，從而暴露出纖維素納米纖維（圖1a）。這些顆粒表面的納米纖維顯著增強(qiáng)了顆粒之間的相互作用，結(jié)合單向冷凍技術(shù)成功構(gòu)建了強(qiáng)韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類似的取向通道結(jié)構(gòu)（圖1b-g），這種仿木結(jié)構(gòu)可以大大降低氣凝膠的熱導(dǎo)率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低徑向熱導(dǎo)率，優(yōu)于現(xiàn)有纖維素基氣凝膠材料和各類商用海綿（圖2a-c）。同時(shí)，加入天然粘土納米片使得這種氣凝膠的耐火性能也有了很大的改善，可以承受1300℃高溫的火焰至少20分鐘而不被燒透（圖2d-h）。

這種全天然仿木氣凝膠的隔熱和防火性能均優(yōu)于天然巴沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，有望成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外，其天然的原料來源和低能耗低排放的制備工藝使得這種氣凝膠具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，從而可以減少隔熱材料在生產(chǎn)，使用和廢棄過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

圖2.全天然氣凝膠的隔熱和防火性能。（a）全天然氣凝膠的隔熱性能與所報(bào)道的纖維素基和木基氣凝膠的對(duì)比；（b）Ashby圖展示了全天然氣凝膠的隔熱性能與各類商用海綿的對(duì)比；（c）從熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)三種傳熱形式解釋全天然氣凝膠優(yōu)異隔熱性能的機(jī)理；（d-g）經(jīng)過火焰灼燒的仿木氣凝膠不同部位微觀結(jié)構(gòu)；（h）高溫碳化后氣凝膠徑向與軸向熱導(dǎo)率變化。

該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211099

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）