来源 | Science

链接 | https://doi.org/ 10.1126/science.adw5777

01

背景介绍

气凝胶作为一类具有高孔隙率和低密度特性的重要材料，在太空探索、传感、热管理及化学催化等领域应用广泛。通过传统溶胶 - 凝胶法，已逐步合成出涵盖金属、氧化物、硫族化合物、碳化物、碳、有机物及多元化合物等多种类型的气凝胶。

然而，传统溶胶 - 凝胶法制备的气凝胶存在固有缺陷：其零维颗粒连接较弱，导致机械脆性大、弹性差。尽管科研人员通过结构几何设计，在高孔隙率下实现了优异的机械弹性，但气凝胶在极端热机械条件下仍面临挑战 —— 高温下晶体结构不稳定，且在大机械变形下结构脆弱。

具体而言，柔性非晶域是陶瓷气凝胶在常态下保持弹性的关键，但相比块状结晶陶瓷，其存在会显著降低热稳定性。此前提升弹性陶瓷气凝胶热稳定性的努力，主要集中于限制非晶域迁移，最高工作温度仅达 1973 K。而石墨烯材料虽熔点超过 3000 K，但其机械软化温度低于 2273 K，无法在该极端条件下维持稳定的热机械性能。这些现有气凝胶的局限性，凸显了开发能在更极端热机械条件下保持稳定性能的新型气凝胶的必要性。

02

成果掠影

近日，浙江大学高分子科学与工程系高超教授、刘英军研究员与许震研究员开发出一种创新的二维通道限域化学策略，构建了194种“圆顶细胞”结构的超轻气凝胶。该团队报道了通过二维通道限制化学方法合成的 194 种穹顶蜂窝结构气凝胶，这类气凝胶具有超轻特性，密度范围为 0.35-13.78mg・cm⁻³，且在 4.2K 至 2273K 的超宽温度范围内保持优异的超弹性，能承受 99% 应变下 20,000 次循环以及 2273K 下 100 次热冲击循环。其中高熵碳化物气凝胶在 1273K 时导热系数为 53.4mW・m⁻¹・K⁻¹，2273K 时为 171.1mW・m⁻¹・K⁻¹，在极端热机械领域有巨大应用潜力。研究成果以“Dome-celled aerogels with ultrahigh-temperature superelasticity over 2273 K”为题发表在《Science》期刊。

第一作者为庞凯副研究员，夏雨星，Xiaoting Liu和西安交通大学Wenhao Tong为共同一作。

部分作者合影。

03

图文导读

核心方法：采用二维通道限制化学法，以宏观组装的氧化石墨烯（GO）薄膜为前驱体，通过离子捕获、鼓泡、热转化三步连续过程制备；

具体过程：

离子捕获：GO 层间通道形成二维受限纳米空间，浸入盐溶液后，离子通过与氧官能团的螯合作用被捕获，且二维屏障效应避免离子泄漏，形成受限前驱体杂化物；

鼓泡：发泡剂分解产生的气体在 GO 层间形成穹顶形细胞，通过控制鼓泡时间可调节穹顶细胞的平均曲率；

热转化：在不同条件下热处理杂化气凝胶，600℃空气氛围下 4 小时得到氧化物气凝胶，2000℃氩气氛围下 2 小时得到碳化物气凝胶，450℃氢气氛围下 1 小时得到金属气凝胶；

优势：可直接在空气中干燥，避免了复杂昂贵的冷冻或超临界干燥方法，且能制备出大规模板材（约 50×20×0.5cm³）和连续卷材（>2m）等宏观形态；

图1.基于石墨烯的 2D 通道限域化学，用于圆顶细胞气凝胶。

结构特点：以具有两个非零主曲率的穹顶微结构为基本单元，胞壁由平面互连的纳米级晶粒组成，厚度 < 10nm，这种结构使其储存弹性应变能的能力至少是传统蜂窝和拱形结构的 10 倍，且在高应变下会产生大量可恢复的褶皱以储存弹性能量。

图2. 圆顶细胞气凝胶的化学多样性及其多尺度结构。

化学多样性：涵盖 121 种氧化物、38 种碳化物和 35 种金属，成分可调节至含多达 30 种元素的高熵状态，且在原子尺度上混合均匀。

图3.圆顶孔气凝胶的机械性能。

所有气凝胶在 99% 应变下可重复压缩 20,000 次，残余应变 < 3%，应力退化 < 20%，超轻氧化物气凝胶在 80% 应变下 10,000 次循环后应变退化 < 8%，疲劳 resistance 优异。

在 4.2K 至 2273K 的超宽温度范围内保持超弹性，在 2273K 下 99% 应变循环 100 次后仍能恢复原状，在丁烷喷灯双侧火焰（超 1573K）中 99% 应变循环 100 次也表现出优异的抗烧蚀性和超弹性。

图4.碳化物气凝胶的热超级绝缘。

碳化物气凝胶在 173-2273K 温度范围内具有低导热系数，高熵（ZrTaNbTiHf）C 气凝胶在 1273K 时为 53.4mW・m⁻¹・K⁻¹，2273K 时为 171.1mW・m⁻¹・K⁻¹。

经过 10,000 次室温机械疲劳测试和 100 次 2273K 循环后，导热系数仍保持在超低水平，在 2273K 下 100 次热冲击循环后，形态和导热系数几乎不变，1573K 时热膨胀系数极低（~1.8×10⁻⁶K⁻¹）。

04

高超团队热管理研究成果

浙江大学高超教授团队和合作者针对石墨烯和石墨烯纤维材料，以实际应用为导向，进行了长期积累研究，取得了丰富的系列研究成果。

主要包括：

石墨烯领域研究（Adv. Fiber Mater. 2024, 6 (1), 68-105；Appl. Phys. Rev. 2023, 10, 011311；ACSNano 2022, 16, 14703；Acc. Mater. Res. 2020, 1, 175；Adv. Mater. 2020, 32, 1902664；Adv. Mater. 2017, 29, 1606794；Chem. Rev. 2015, 115(15), 7046）；

高强高导热石墨烯纤维（Nat. Commun. 2024, 15, 409; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584）；

高导热石墨烯纤维丝束的规模化制备（Carbon 2024, 221, 118947）；

高性能石墨烯基复合纤维（Nano Lett. 2024, 24(14), 4256; Adv. Mater. 2022, 34, 2201867）；

基于剪切印刷术的高导热石墨烯复合材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2300077）；

面向极端热管理的高导热石墨质膜（Nano-Micro Lett. 2024, 16, 58; Adv. Funct. Mater. 2024, 2400110；Carbon 2020，167, 249）；

石墨烯纤维基热界面材料（DOI: 10.1021/acsnano.4c04349）

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关于高超团队

浙江大学纳米高分子课题组(简称纳高，缩写NP)，由高超教授领衔，有教授1名，特聘研究员2名，副教授1名，专职研究员2名，科研助理2名，高级研发工程师3名，博士后9名，工程师6名，博士生20名，硕士生20名，共计60余名成员。团队聚焦氧化石墨烯，重点研究其化学与物理、组装与材料、器件与应用。   

高超，浙江大学求是特聘教授，博士生导师，浙江大学高分子科学研究所所长。1995年毕业于湖南大学化学化工学院有机化工专业，获学士学位；1998年毕业于同校精细化工专业获硕士学位；2001年毕业于上海交通大学高分子科学与工程系，获得工学博士学位，并留校任教。2003年11月至2006年8月先后在英国Sussex大学化学系Harold W. Kroto爵士实验室、日本Toyo大学Toru Maekawa教授组、德国Bayreuth大学Axel H. E. Müller教授组做访问研究、博士后研究、合作研究和洪堡基金研究员。2008年2月加入浙江大学高分子科学与工程学系，同年7月被评为教授、博士生导师。2015年5月至今，担任高分子科学研究所所长；2016年12月至今，担任浙江省科协第十届委员会委员、常委；2017年4月至今，担任浙江大学学术委员会委员；同时，入选科技部“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”、“浙江省151人才工程第一层次培养人员”。

承担国家基金委重大、重点、杰青项目等科研项目十多项。2D Materials、Advanced Fiber Materials、 Carbon Energy、Nano-Micro Lett.、《中国科学：化学》、《功能高分子学报》等期刊编委。曾获“2021年度浙江省自然科学奖一等奖”、首届“钱宝钧纤维材料 青年学者奖”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”等荣誉。