清华大学伍晖教授团队《Nat. Commun.》：基于碎冰冷冻干燥的大规模超细陶瓷纤维气凝胶

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冰模板法具有较好的可扩展性和高通用性，可以在多孔结构材料的制备过程中实现精确的结构控制。对于传统的单向冷冻铸造工艺，冰晶倾向于在低温表面附近形核并沿着温度梯度方向生长，从而形成各向异性结构。因此目前也引入了多种策略来调节冷冻过程中的微结构形成。但对于大尺寸制备，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。因此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然有待解决。

最近，清华大学材料学院伍晖教授团队开发了一种具有普适性的、可控的碎冰模板法，通过滚筒对纳米纤维浆料的旋转冷冻和冰破碎，以及碎冰和浆料混合后的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。该方法适用于多种纳米纤维，为多孔结构材料的大尺寸生产提供了新思路和新机遇（图1）。

图1. 碎冰模板法大规模制造气凝胶的示意图

该团队通过荧光光学显微镜对碎冰模板法的冰晶生长规律进行了探究。随着破碎冰晶的加入，人工引入的冰晶在浆料中增加了冰晶的生长位点，并且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碎冰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由沿着温度梯度的柱状冰晶向等轴冰晶的转变。而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。冰晶升华后，纳米纤维组装的沿冰晶界面分布的胞腔结构将得以保留。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。

图2. 单向冷冻(上)和碎冰铸造(下)过程冰晶生长的示意图

图3. 不同碎冰比例下使用光学荧光显微镜对碎冰冷冻进行原位观察

随后该团队以Al₂O₃·SiO₂纳米纤维为研究对象，验证了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，具有267.3 Wh kg⁻¹的高能量密度电池模块中的破坏性热失控传播过程可以被5毫米厚的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。

图4. 陶瓷纳米纤维气凝胶的热物理和力学性能

 图5. 陶瓷纳米纤维气凝胶对热失控的阻断红外图像

该成果近期发表在Nature Communications上，文章的第一作者为清华大学博士后李磊博士(现就职于北京理工大学)、清华大学博士生周仪倩和北京大学工程学院力学与工程科学系博士生高阳，联合通讯作者为清华大学伍晖教授、中北大学李伟伟副教授、北京大学韦小丁教授和南京大学朱嘉教授。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41087-y

伍晖教授简介

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伍晖，清华大学材料学院教授、杰青。2009年于清华大学材料科学与工程系取得博士学位，2009年至2013年任美国斯坦福大学材料系博士后，2013年5月起就职于清华大学。研究领域包括超细纤维材料的制备和应用、电化学储能材料、锂电材料的回收和锂盐提纯以及电解水材料和科学。以通讯作者身份在Nature Energy、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications等学术期刊发表学术论文超过150篇，授权发明专利30项，出版专著章节1章。发表论文被引用超过34000次，H因子70。曾获得教育部青年科学奖和国家杰出青年科学基金。

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