转自 高分子科学前沿
遮光材料是指能够阻隔光线的一类功能性材料，在生物医药的储藏、建筑围护的光调控和光学设备的保护等领域都有着发挥着重要的作用。气凝胶是由三维网络骨架和空气介质构成的一种特殊聚合物材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度和低热导率等特点，曾被《Science》期刊列为十大新兴技术之一。为了满足当今遮光材料逐渐轻质化的发展趋势，多种具有超低密度的黑色气凝胶已经被研究者所开发。然而，常见的遮光气凝胶通常依赖高温碳化的过程来制备，但这一过程具有工艺复杂且耗时长的缺点，并且往往会伴随着材料的不可逆的热解和有害气体的产生。
为解决这一问题，北京航空航天大学物理学院的吕广宏团队和谢勇团队联合合肥综合性国家科学中心能源研究院的孟献才团队，创造性地利用高通量氦离子注入的方法，仅需要数十秒便能够在硅基气凝胶的表面实现仿生结构的构筑，进而获得了在可将光波段透过率约3%和反射率约2%的黑色遮光气凝胶薄膜。相关工作以“Black Aerogel Based on Short-Time High-Flux He Ion Implantation”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。北京航空航天大学博士研究生赵鹏、彭加官和Nyachieo Kennedy Momanyi为该论文的共同第一作者，谢勇副教授和程龙副教授为共同通讯作者。参考自然界中部分鸟儿的羽毛通过倒钩结构的来实现黑色表面的案例，研究者利用高通量氦离子束流这把锋利的“剪刀”在气凝胶的表面进行“修剪”，成功得到了如图1所示的微米级尖锥阵列。结果表明，气凝胶表面形成的尖椎高度随着离子注入剂量和离子能量的增加而增加。在40 keV 80 s的离子注入条件下，气凝胶表面的尖锥高度可以超过46 μm，这一数值与鸟类倒钩结构的尺寸相当。此外，每个尖锥表面具有多尺寸分布的微腔结构，并且在40 keV离子能量下形成的微腔尺寸要显著高于在10 keV离子能量下形成的微腔尺寸。这种微腔结构能够进一步增强光在气凝胶表面的散射过程，能够尽可能的让入射光“停”在气凝胶薄膜的表面，从而降低透过率。图2. 气凝胶表面和鸟儿倒钩结构的SEM图像以及SRIM模拟结果。得益于形成的尖椎结构和微腔结构，硅基气凝胶薄膜在离子注入后，其透过率和反射率均有明显下降。在离子注入前，硅基气凝胶薄膜在可见光波段的透过率和反射率分别约为94%和5%。在40 keV 80 s的离子注入条件下，气凝胶薄膜的透过率和反射率分别下降至3%和2%，颜色也由透明（微蓝色）转变为黑色。此外，在离子注入后，气凝胶薄膜在红外波段的透过率也有了明显的下降。研究者在上述研究的基础上，通过对气凝胶的上下表面均施加离子注入，得到了在可见光波段透过率和反射率均约为1%的超黑气凝胶薄膜。上述结果表明，高束流氦离子注入能够显著的减低气凝胶在多个波段的透过率，是制备气凝胶遮光材料的可选方案之一。图3. 气凝胶薄膜的光学特性分析以及FDTD模拟结果。在前面的研究中，研究者可以发现离子注入后气凝胶对光的吸收能力得到了明显的增强。高光吸收率可能会引起高光热转换，因此研究者进一步研究了离子注入后气凝胶薄膜的光热转换能力。结果表明，在40 keV 80 s离子注入后的气凝胶薄膜能够在1个太阳能量密度（波长为300-800 nm）下，把表面温度从室温提高到65°C以上。这一数值与报道的碳气凝胶数值相当，证明这种薄膜具有出色的光热转换能力。此外，将这种气凝胶薄膜置于手上后，可以在0.5个太阳能量密度的条件下，将表面温度升至超过50 ℃。这一数值要超过细胞的热消融温度（47 ℃），证明该薄膜在热疗领域也有一定的应用前景。值得一提的是，研究者提出的氦离子注入技术是一种表面改性技术，气凝胶薄膜黑色层底下的纳米网络结构能够较好的保留。因此，这种黑色表面的实现还保留了硅基气凝胶的孔隙率、高比表面积、低密度等优良性能。总结：区别于传统碳化方法，本工作另辟蹊径，采用氦离子注入的方法来对气凝胶的表面进行仿生结构设计来实现黑色遮光气凝胶薄膜的构筑。该气凝胶在实现“超黑”表面的同时，内部仍保持了硅基气凝胶的多孔性、高比表面积和低密度等优异特性，并具有出色的光热转换效率和热稳定性，因此有望应用于光催化、光热疗法和隐身技术等领域。展望未来，这种黑色气凝胶的制备方法有望推广至其他气凝胶系统，如碳气凝胶、纤维素气凝胶和金属气凝胶，结合成分遮光和结构遮光的优势，以更精确地调节超黑性能，为新型高性能黑色材料的开发提供了新途径。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
