【报告预览】青年科学家论坛合集（一），2024先进凝胶材料及产业应用论坛

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Hofmeister效应已经被证明是一种用来制备高强度凝胶的有效策略。前人研究已表明柠檬酸钠对PVA的盐析效应时会导致PVA分子链在溶液中聚集成纳米纤维。本课题组近期围绕基于柠檬酸钠诱导的PVA纳米纤维的高效利用开展研究工作，提出了一种快速高效制备高强高韧PVA柱状凝胶制品的方法，并进一步地提出了一种无醛的PVA亲水性海绵的制备方法。制备出来的凝胶具有良好的力学性能，其拉伸强度可达到 10.59 ± 0.6 MPa，模量可达到7.27 ± 0.53 MPa和显示出高的韧性34.74 ± 1.98 MJm^-3。制备出来的亲水性海绵可反复地经历失水干燥，遇水膨胀过程，具有明显的负压引流效果。

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氮化硼气凝胶，由氮化硼纳米构筑单元经溶胶-凝胶组装而来的一种新型纳米陶瓷气凝胶，具有高热稳定性、优异化学稳定性及电绝缘等性能，能够在腐蚀或有氧的高温环境中得以应用。然而，由于氮化硼自身化学惰性，难以直接通过传统溶胶-凝胶策略进行制备，且现有氮化硼气凝胶的结构调控、力学性能（脆性）及耐高温稳定性受限。我们通过理论计算与实验研究，借助溶剂组分调控硼酸、三聚氰胺小分子之间氢键组装行为，发展超声辅助的溶胶-凝胶组装技术，制备得到一系列新型氮化硼气凝胶，相继表现出高-低温力学柔性、轻薄-可裁剪、1300 °C高温抗氧化稳定性、可见-近红外光高反射等特征，在极端环境下的热绝缘、高温红外隐身、高能激光防护及信息隐藏中表现出优异的性能。该工作为新型陶瓷纳米单元及其气凝胶的制备提供新的设计思路，并进一步扩展陶瓷气凝胶材料在极端环境中的应用。

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通过物理或者化学交联作用形成的共轭导电聚合物凝胶继承了聚合物凝胶高度可调的物理/化学性质和共轭导电聚合物的高导电性、电化学活性，在柔性储能器件领域具有广泛应用前景。与传统的粉末电极材料相比，凝胶电极材料具有网络设计性强、低电极-电解质界面电阻和力学性能优异等特点，在构建柔性高性能储能器件方面具有重要研究价值。针对导电聚合物复合凝胶电极存在的活性物质负载量低、导电/传质缓慢等关键科学问题，本研究中，我们从共轭导电聚合物复合凝胶的网络和界面结构的设计的角度出发，制备出具有高活性物质负载量兼具柔韧性和电化学性能的导电聚合物复合凝胶电极，并拓展了3D打印制备共轭导电聚合物复合凝胶基微型储能器件。

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气凝胶作为一种纳米多孔材料，自身具有优异隔热保温功能，与相变材料复合，获得自适应调温功能，理论上都可应用于纺织领域，但力学性能差且多以块体或粉末形式存在，阻碍了其在纺织领域应用。本研究提出以芳纶纳米纤维为基元，通过调节纳米纤维分散液流变学行为，并控制纳米纤维组装过程，获得具有高强度和优异隔热保温性能的芳纶气凝胶纤维/非织造布，作为纺织材料应用于人体保温。进一步，以芳纶气凝胶纺织材料为载体，负载相变材料等功能流体，获得具有储能、调温功能的气凝胶相变纺织材料。此外，以芳纶气凝胶纺织材料为基础，通过结构设计，获得热辐射抑制叠层结构或热二极管，进一步提升芳纶气凝胶纺织材料的热管理能力。

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多尺度结构工程是实现碳气凝胶高效电磁波吸收的策略之一。本报告将介绍通过自组装、冷冻铸造和湿法技术等工艺制备而成的碳基气凝胶，基于宏观尺寸、微观孔结构和纳米域多尺度结构调控，可以增强电磁波反射和散射，促进电子迁移和跳跃，并激发缺陷引起的极化。碳气凝胶在使用不到1 wt%的材料时实现了宽频段吸收。此外，将气凝胶引入聚硅氧烷主-客气凝胶系统，不仅拓宽了它们的实际应用范围，还赋予了超疏水性、隔热和抗结冰等特性，从而能够巧妙地应对复杂的电磁环境。

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石墨烯气凝胶，这一由石墨烯纳米片组装而成的三维多孔材料，不仅继承了石墨烯的卓越导电性和高机械强度，还通过其多孔结构实现了低密度与高效能的完美结合，在储能及环境净化等领域展现出独特优势。进一步地，MXene气凝胶的出现为二维材料的三维构筑提供了新的视角。MXene作为一类新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物，其气凝胶形式通过精心设计的三维网络结构，有效解决了二维材料易堆叠、导电性受限的问题，显著增强了其电化学性能。这一创新不仅丰富了二维材料的应用领域，更为开发高性能、多功能的材料提供了有力支撑。未来，随着研究的深入，石墨烯气凝胶与MXene气凝胶将在更多领域展现其独特的魅力与潜力。

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水凝胶材料由于其优异的性能而备受关注。但是水凝胶材料存在导电离子易泄露，易失水/易受环境影响，传感导电不易共存等问题，大大限制了其应用。我们分别采用超异结构策略、离子互锁耦合方法和异质梯度法等克服了上述水凝胶存在的缺点，实现了持久导电性，环境自适应、传感制动共存的水凝胶柔性传感技术。我们开发的水凝胶传感器具有超高导电率、超高灵敏度和超快制动速度，为水凝胶传感的实际应用奠定了坚实的基础。我们通过融合软硬件技术、人工智能技术，无线传输技术等，成功实现了水凝胶柔性传感技术在康复医学、运动监测、人机交互、电子皮肤等领域的应用。

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氧化硅气凝胶作为气凝胶家族中的杰出代表，不管是综合性能还是产业化应用都走在所有气凝胶种类的前列。然而，氧化硅气凝胶及其制品的力学脆性始终是其面临的最头疼的问题之一，伴随而来的开裂、易破碎、掉粉、无法二次加工等问题严重制约其应用效能。氧化硅气凝胶破碎、掉粉的直接产物是氧化硅气凝胶粉，也可直接从溶胶-凝胶工艺制备而来，对于这类庞大的气凝胶形态，如何发挥其特色，“变废为宝”，是一个基础科学问题和亟待解决的应用问题。本汇报将探索如何实现氧化硅气凝胶微粉的应用问题，通过构思气凝胶功能基元的概念，将气凝胶微粉作为核心功能组分，构筑气凝胶基复合材料，实现其优异的力学柔性、高拉伸，以及可设计的热管理行为，展示氧化硅气凝胶粉的“织造”设计及其在极端环境下的应用。

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超分子自组装广泛存在于生命系统中，组装过程往往由复杂的生化反应所控制，如酶催化反应、化学能的耗散等，实现组装体的时空可控自组装，赋予生命系统独特的功能，如动态自适应、自修复等。在人工合成条件下实现类似于生命系统中的组装过程将为新一代超分子材料的创制开辟全新思路。近年来，我们向自然学习，建立了基于腙键原位生成的动态超分子水凝胶系统，实现利用催化剂对超分子水凝胶组装过程的时空控制；此外，我们进一步探索将所构筑水凝胶的自组装过程与生命系统相耦合，成功实现了超分子水凝胶在活细胞中的定向自组装，利用合成材料对细胞的生命活动实现调控。

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由纳米颗粒组装而成的金属气凝胶因其结合了金属和气凝胶的优点而受到广泛关注，自2009年被德国科学家Alexander Eychmüller首次报道以来，近十多年的发展，被认为是解决当前环境和能源问题的理想材料。在这些金属气凝胶中，由两种金属组成的气凝胶不仅显示出其各个金属成分的特性组合，而且还具有明显不同于其单一金属的新特性。依赖于增强的界面效应和尺寸效应，导致界面结构对金属气凝胶材料最终的综合性能起决定性作用，故通过工艺设计实现界面结构的优化成为金属气凝胶材料的重要研究方向。因此，改进这金属气凝胶的合成方法，研究其组成和结构，以提高它们在预期应用中的性能是近来的研究热点。

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随着通信技术的快速发展和电子设备的广泛应用，特别是在现代通信技术所使用的频段日益增多的背景下，电磁环境变得愈加复杂和拥挤。尤其是在高精度测量仪器和高频电子设备领域，电磁干扰（EMI）问题日益突出。电磁屏蔽/吸收气凝胶可以有效地反射或吸收外界的电磁干扰信号，从而减少这些信号对设备内部电路的干扰，维护设备内部信号的完整性。同时，它还能有效抑制仪器内部电磁波的泄漏，确保数据传输的准确性和可靠性。为提高高性能电磁屏蔽/吸收气凝胶的化学稳定性及力学强度，通过引入物理-化学双重交联技术并采用冷冻干燥、常压干燥等新型制备策略，可实现绿色、低能耗的大规模制备，得到轻量化、高强度、高柔性、化学稳定性强、宽频带强屏蔽性能的高性能电磁兼容纳米复合气凝胶。

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气凝胶材料是一种由纳米粒子或聚合物分子链组成的三维轻质多孔材料，具有低密度、低热导率、高孔隙率、高比表面积、低折射率和低介电常数等一系列性能，保持14项吉尼斯世界纪录，在航空航天、石油化工、光电催化、节能建筑、储能转化等领域具有广泛的应用价值。作为气凝胶最为典型的本征绝热特性，本报告重点阐述了课题组气凝胶材料在石油化工、新能源电池隔热片、国防军工和建筑保温等领域的多方面应用。同时，基于气凝胶的高孔隙率、高比表面积、高电导率等特征，报告了课题组气凝胶在光电催化领域的最新研究进展。

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糖尿病伤口由于持续炎症反应、氧化应激等多种因素难以有效愈合。水凝胶由于其优异的生物相容性、结构可设计性、多种智能响应性等优点在糖尿病伤口修复上进行了广泛研究。基于糖尿病伤口微环境特点，结合水凝胶的智能响应性实现炎症微环境的调控与促进伤口愈合是一种有效策略。

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气凝胶纤维是一种具有宏观纤维状结构的新型气凝胶材料，其结合了气凝胶的三维多孔结构、高孔隙率和低密度以及纤维的柔性、高长径比和可编织的特点。相比于传统的纤维材料，气凝胶纤维具有高度的可集成性，在智能可穿戴领域具有潜在的应用价值。尤其是，具有耐高温、耐候性的聚酰亚胺（polyimide, PI）气凝胶纤维，其有望成为极端环境下智能可穿戴用新型纤维材料。然而，目前 PI 气凝胶纤维微观结构不可控、 凝胶骨架强度低、成型性差，导致其存在隔热性能差、拉伸强度低以及无法实现连续化制备的问题。基于以上问题，本人致力于气凝胶纤维的结构设计及其强化机制和成型机制的研究工作。本报告主要介绍本人在聚酰亚胺复合气凝胶纤维结构设计以及其在保温隔热、智能热管理及电磁防护等领域应用的研究进展。