全球建筑热调节的能源消耗占比超过40%，这一数据突显了发展低碳建筑结构的必要性。低导热系数的气凝胶保温材料在节能建筑中展现出广阔的应用前景，但其广泛应用受到机械稳健性、热稳定性和耐火性不足的挑战。
基于此，受植物根-土壤结构的启发，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员与东南大学孙正明/张培根团队合作提出了一种制备高性能复合气凝胶的新方法，采用尺寸升级策略设计并合成了机械强度高的聚对苯并恶唑（PBO）纳米纤维增强二氧化硅气凝胶（BNFSi）（图1）。优化后的BNFSi表现出优异的抗压强度（3.2 MPa），同时具有低导热系数（27.3 mW·m-1·K-1），良好的阻燃性能，高质量保持率（79.7%），高反射率（约92%）以及超疏性（150.3°）。通过仿生设计的结构，BNFSi不仅解决了二氧化硅网络固有的脆性问题，还具备卓越的防火和保温隔热性能，为推动节能建筑提供了有前景的解决方案，并与下一代生态建筑的目标相契合。
图1. 合成仿生气凝胶BNFSi的共凝胶方法及其在建筑中的多功能应用示意图
研究结果表明，PBO纤维形成了微米级和纳米级的纤维结构，构建出多尺度结构，有助于形成类似于植物发达根系的多分支网络（有利于0D硅球，1D纳米纤维结构单元结合升级成2D纤维网络包覆结构，从而形成3D整体）。PBO纳米纤维（BNF）因其丰富的比表面积（SSA）和可调节的表面特性，在微纳米级设计中发挥了关键作用，从而推动了块体复合材料的发展和先进纳米材料的形成。通过将硅溶胶作为“土壤”基质，水解缩合反应能够精确控制PBO分散体对质子的吸收，最终形成的缩合产物结构与植物根土结构高度相似（图2）。
所制备的BNFSi气凝胶具有优异的成型性（图3），能够塑造成多种形状，并可通过减材制造进行加工，以适应特定场景的形状需求。升维策略显著提升了BNFSi的压缩强度，使其达到3.2 MPa，是原始二氧化硅气凝胶的6倍以上，同时具备增韧效果。即使人站立其上，气凝胶也不会发生坍塌或结构破坏，力学模拟进一步证明了PBO在增强气凝胶力学性能方面起到了积极作用。
PBO的疏水芳香骨架与MTMS的水解末端产生的甲基使BNFSi具有优异的疏水性，作为建筑维护材料，可减少清洁能耗。得益于多层微纳米结构和PBO/二氧化硅之间的协同作用，BNFSi的近红外反射率高达92%，可有效减少外界的的热增益（图4）。此外，BNFSi的反射率与角度几乎无关，平均反射率超过90%。这一性能有助于减少建筑内部的热量积累，从而降低空调系统的能源负担，提高建筑的能源效率。
保温材料的耐火性对建筑安全至关重要，即便在高温下，BNFSi仍能保持其结构完整性，得益于其高质量保持率(79.7%)和碳化能力，能够提供优异的防火隔热效果，自生成的碳层/SiO₂屏障有效限制了热量传递和氧气渗透，使其在实际火灾条件下具有较高的实用性（图5）。通过锥形量热仪测试了BNFSi气凝胶和其他商用材料的放热率(HRR)和放烟率(SPR)。在相同热流密度(50 kW·m-2)下，BNFSi表现出优于其他商用材料的阻燃性能，峰值HRR仅为商用XPS材料的27.1%，此外，BNFSi的烟雾排放量极低，远小于商用XPS，最大程度减少了火灾对人身安全的潜在威胁，增强了其替代传统商用隔热材料的潜力。
图5.仿生气凝胶的阻燃性能和节能减排能力
研究团队进一步利用EnergyPlus模拟了在建筑中使用BNFSi的潜在节能效果，模拟结果表明，即使在寒冷潮湿的气候条件下，BNFSi也展现出显著的节能效果。以耗能量来评价在不同气候条件下的节能效果，结果显示从温暖地区到严寒地区，BNFSi的节能效果逐渐显著。特别是在合肥和南京，年节能率分别达到了18.81%和22.66%，表明BNFSi在各气候带均有明显的节能效果。此外，研究团队还计算了这些节能效果对应的二氧化碳减排量，其中哈尔滨市的二氧化碳减排量为6.7 kg m-2，显著高于南京市的1.6 kg m-2。这些结果证明了BNFSi在建筑保温节能减排方面具有重大潜力。
该研究提出的概念和方法为高性能气凝胶在多种环境中的应用提供了一种理想的绝缘材料解决方案。解决了传统气凝胶固有的脆性和纳米颗粒结合强度弱的问题，展现出了加快提升未来建筑能源效率的巨大潜力。此外，该工作可能对高性能聚合物气凝胶在建筑节能减排、极端环境保温隔热等方向的应用提供了新思路。相关工作以Dimensional Upgrading of 0D Silica Nanospheres to 3D Networking Toward Robust Aerogels for Fire Resistance and Low-Carbon Applications为题发表在材料领域顶级期刊Materials Science and Engineering R: Reports上(请点击“阅读原文”查看论文)。论文第一作者为东南大学与苏州纳米所联合培养博士生胡沛英，通讯作者为东南大学张培根副教授、苏州纳米所王锦研究员和东南大学孙正明教授。该论文获得了国家自然科学基金重大研究计划培育项目、江苏省自然科学基金和国家留学基金委项目资助。
