复旦《AFM》：超疏水多功能气凝胶！具有仿生鼠尾草叶状结构

2022-03-24 14:31:50 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

随着全球温室效应和水污染的升级，我们日常生活中与高温环境和无保障水源相关的疾病风险急剧增加。缓解这些问题的措施包括为污水净化和节能建筑开发轻质、多孔和多功能材料。目前，对功能化材料的仿生探索对化学和材料科学来说仍然非常重要，尽管生物的大多数巧妙结构和功能没有得到精确模拟。

来自复旦大学的学者从鼠尾草叶的强疏水性中得到启发，制备了一种具有鼠尾草叶状结构的新型超疏水多功能芳纶聚酰亚胺纳米复合气凝胶（简称Bio-ANFPI气凝胶）。Bio-ANFPI-1气凝胶表面覆盖有许多通过原位硅氧烷缩聚方法生成的球形和半球形二氧化硅纳米颗粒，类似于萨尔瓦多叶的表面，这有助于基于Cassie-Baxter模型构建超疏水气凝胶（Bio-ANFPI-2）。结果表明，Bio-ANFPI-2气凝胶的最大应力和压缩模量分别提高了174%和245%。此外，Bio-ANFPI-2气凝胶具有超疏水性，水接触角为152°，滚动角为8.3°。此外，气凝胶具有较低的热导率、优异的金属离子吸收能力以及令人印象深刻的油吸收能力，使其初始值保持在压缩率88%，并且在50次循环后的压缩率为80%。总的来说，这项工作可以使制造仿生高性能轻质材料的方式更加通用和实用。相关文章以“Superhydrophobic and Multifunctional Aerogel Enabled by Bioinspired Salvinia Leaf-Like Structure”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

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

图1。a）鼠尾草叶的照片和b）相应的显微结构。c）经典的卡西-巴克斯特表面润湿状态。d）化学剥离ANF和水溶性PAS。e）通过冷冻干燥和退火制备ANFPI气凝胶。f） ANFPI气凝胶浸泡在TEOS和KBE-803的水解液中。g）具有粗糙仿生表面的Bio-ANFPI-2气凝胶。

图2. 气凝胶的分级形态和化学特性。a–c）ANFPI，d–f）Bio-ANFPI-1，g–i）Bio-ANFPI-2气凝胶的形态。j） ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2气凝胶的FTIR光谱。k） Bio-ANFPI-1气凝胶的固态29SiNMR谱。l） Bio-ANFPI-1和2气凝胶的分级形态模型。m）煅烧前后的Bio-ANFPI-2气凝胶照片和相应的SEM图像。

图3. ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2气凝胶的机械性能。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2气凝胶在60%应变下的压缩应力-应变（δ-ε）曲线。b）ANFPI气凝胶、c）BioANFPI-1气凝胶、d）Bio-ANFPI-2气凝胶在20%、40%和60%应变下的压缩δ-ε曲线。

图4. Bio-ANFPI-2气凝胶的超疏水性能。a） Bio-ANFPI-2气凝胶的动态拒水行为。b） Bio-ANFPI-2气凝胶的水接触角（WCA）和滚动角（RA）。c）ANFPI气凝胶、d）ANFPI-F气凝胶、e）Bio-ANFPI-2气凝胶表面靛蓝染色的水滴及其高吸水纸去除过程。

图5. 生物ANFPI气凝胶的应用。a）ANFPI、Bio-ANFPI-1和Bio-ANFPI-2气凝胶的热导率。b）Bio-ANFPI-1气凝胶对铜离子的吸附效率和c）吸附机理。d）在水层（Bio-ANFPI-2气凝胶）下选择性吸收重油（氯仿）。e）轻油（正己烷）在水上的选择性吸收（Bio-ANFPI-2气凝胶）。使用f）机械挤压和g）蒸馏解吸的Bio-ANFPI-2气凝胶对正己烷的吸收回收能力。

综上所述，本文通过原位硅氧烷缩聚法成功地模拟了鼠尾草叶片的微观表面形态和疏水行为，构建了硅氧烷增强的芳纶-聚酰亚胺纳米复合气凝胶（Bio-ANFPI-1和2）。通过利用具有不同功能的硅氧烷，同时形成了二氧化硅纳米颗粒和聚有机硅氧烷薄膜。前者用于模拟鼠尾草叶片的粗糙表面，后者用于增强气凝胶的机械性能，并将二氧化硅颗粒固定在气凝胶的骨架上。结果表明，Bio-ANFPI-2气凝胶的最大应力显著增加了174%，压缩模量也增加了245%。在粗糙表面和低表面能的共同作用下，Bio-ANFPI-2气凝胶具有152°的WCA和8.3°的RA，显示出其优异的超疏水性。更重要的是，气凝胶具有接近空气的低热导率、优异的金属离子吸附能力和优异的油水分离能力。本文的工作可以提供一种通用且简单的方法来促进高性能气凝胶的开发。

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