多校联合开发碎冰模板法制备多孔气凝胶材料
近日，清华大学伍晖教授联合北京大学韦小丁教授、南京大学朱嘉教授和中北大学李伟伟副教授等合作在多孔低维材料组装体的制备上取得了重要进展，发展了一种具有普适性的、可控的碎冰模板法，通过将低维材料浆料冷冻在旋转的低温滚筒表面上后将其粉碎，然后将碎冰与浆料混合重新冷冻铸造来大规模制备一种各向同性气凝胶。高冷冻速率的旋转滚筒冷冻和碎冰加入后的形成的多冰核生长位点能够有效提高冷冻效率，从而提高了大尺寸多孔结构材料的制备效率。该方法适用于多种低维材料，为多孔结构材料的大尺寸生产提供了新思路和新机遇。相关研究成果以《基于柱状晶到等轴晶转变的各向同性纳米纤维气凝胶的大规模组装》为题，发表于《自然-通讯》期刊。
冰模板法常用于在多孔结构材料的制备中实现精确的结构控制。对于传统的定向冷冻铸造工艺，冰晶倾向于在低温区附近形核并沿着温度梯度方向生长成柱状晶，而当制备大尺寸样品时，伴随着冷冻过程中温度梯度的消失和热传递的减少，冰晶生长将逐渐减慢甚至停止，从而严重限制了多孔结构材料的制备效率和厚度尺度。目前对于冷冻铸造过程中的形核位置少和生长效率低的问题仍有待解决。并且对于冰模板法制备的多孔隔热材料，定向冷冻得到各向异性结构中的中空管道将成为热、电子或声学传输的“高速公路”。为了达到更好的隔热性能，目前也引入了多种策略来调节冰模板法中的微观结构形成。
该团队通过人工引入的碎冰在浆料中增加了冰晶的生长位点，并改变了传统冷冻铸造过程中单一的温度梯度，所有预先存在的和随机分布的冰晶都可以作为原始生长点，相邻的冰晶将在没有有利位置或取向的情况下无规则生长，从而实现了冷冻过程中沿着温度梯度的柱状冰晶向等轴冰晶的转变。等轴冰晶的高度随机堆叠将纳米纤维组装成具有拓扑结构曲折通道的重复微尺度单元，形成的曲折和复杂的孔隙结构将成为热、电子或声学传输的有效屏障。随后研究团队以Al2O3·SiO2纳米纤维气凝胶为研究对象来研究碎冰模板法的结构设计。由于形成了各向同性的胞腔结构，所获得的Al2O3·SiO2纳米纤维气凝胶表现出低密度、超弹性、良好的耐损伤性和抗疲劳性，以及超低的热导率。此外，在光学和热导率方面也观察到显著的结构各向同性。基于上述气凝胶良好的机械柔性、高温稳定性和低热导率，高能量密度电池模块中的破坏性热失控传播过程可以被Al2O3·SiO2纳米纤维气凝胶层有效阻挡。并且气凝胶的低密度使得整个系统的重量增加可以忽略不计，因此该气凝胶有望在各种热保护场景中发挥巨大潜力。
