氣凝膠（Aerogel）是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。自從1931年首次提出氣凝膠概念以來(lái)，這類材料憑借其超高表面積（＞100 m2 g-1）、超低熱導(dǎo)率（低至12 Mw M-1 K-1）和超低體積密度（1.2×10-4 g cm-3）等特性而受到廣泛關(guān)注。
有趣的是，其英文名aerogel為組合詞，aero是形容詞，表示“飛行的”，gel意為凝膠。字面意思是“可以飛行的凝膠”。因此任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。
圖中的氣凝膠看似“弱不禁風(fēng)”，其實(shí)非常堅(jiān)固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。氣凝膠在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域顯示許多奇特的性能，可作為保溫隔熱材料、ICF以及X光激光靶、催化劑、吸附劑、各類電子器件等等具有優(yōu)秀性能材料。
其中，由可生物降解材料（尤其是天然生物材料）制備的氣凝膠由于具備可持續(xù)性、無(wú)毒性、易修飾性、組織再生等優(yōu)勢(shì)，有望在食品、空氣/水凈化和生物材料中得到應(yīng)用。然而，該類由天然生物材料制備的氣凝膠機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，而且該過(guò)程難免涉及到有機(jī)溶劑和有毒化學(xué)品的使用，導(dǎo)致其制備和應(yīng)用均受到很大的限制。
蘇州大學(xué)王曉沁教授和鄭兆柱等人和美國(guó)塔夫茨大學(xué)David Lee Kaplan合作通過(guò)在結(jié)點(diǎn)處對(duì)絲納米纖維3D網(wǎng)絡(luò)的溶劑焊接法，將絲狀結(jié)構(gòu)從無(wú)規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β片結(jié)構(gòu)，制備得到了一種不溶于水的輕質(zhì)絲蛋白納米纖維氣凝膠（SNFA）。該SNFA具有良好的機(jī)械性能、較低的密度（3.5 mg /cm3）、較高的疏水性（140.9°）和多孔的表面形態(tài)，從而可以高效且選擇性地吸附顆粒物和油脂。
相比常用的無(wú)機(jī)氣凝膠，該SNFA具有生物相容性、易修飾、環(huán)境友好且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在空氣和水凈化、生物傳感器、藥物傳遞和組織工程等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。近日，該研究以題為“Low-Density Silk Nanofibrous Aerogels: Fabrication and Applications in Air Filtration and Oil/Water Purification”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。
【SNFA的制備】
下圖1介紹了SNFA制備的三個(gè)關(guān)鍵步驟：成型、凍干和苯乙醇（PEA）焊接。作者首先通過(guò)電紡法制備了直徑約300-400 nm的絲納米纖維，并進(jìn)行退火處理，然后將纖維懸浮液進(jìn)行冷凍干燥。最后，作者將其放入密封容器中于45°C下PEA蒸汽處理1h。芳族醇，尤其是PEA，能支持牢固的溶劑焊接和絲的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。與溶劑注入法相比，PEA蒸汽處理是一種更好的方法，可以保留SNFA的體積、密度和機(jī)械強(qiáng)度。PEA蒸氣能與以無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)為主的納米纖維相互作用，從而在SNF的結(jié)點(diǎn)處焊接，并將絲狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β片結(jié)構(gòu)。與通過(guò)化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)的絲蛋白氣凝膠相比，該過(guò)程形成的氣凝膠具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和更低的密度。
【SNFA的形態(tài)表征】
通過(guò)PEA蒸汽處理的SNFA上存在納米孔，這有利于獲得低密度的SNFA。當(dāng)SNF濃度降低到0.03 wt％時(shí)，獲得的SNFA的密度僅為3.5 mg/cm3（圖2a），該密度低于以前報(bào)道的其他生物聚合物氣凝膠以及有機(jī)-無(wú)機(jī)混合氣凝膠。此外，該SNFA（0.03 wt％）具有高疏水性（圖2b），水接觸角為126.7±0.9°-140.9±0.9°。水滴在落下接觸SNFAs后能迅速?gòu)椘穑宜螏缀鯖](méi)有變形，表明氣凝膠表面的水附著力極低。這是由于高的β片含量以及表面廣泛分布的納米孔顯著提升了其疏水性。此外，SNFA中的納米纖維具有單一取向（圖2d），從而提供了出色的機(jī)械性能。所有SNFA只有在70％的壓縮下才會(huì)出現(xiàn)塑性變形，而在50％壓縮下幾乎能完全恢復(fù)，且能保留其原始大小和形態(tài)，這證實(shí)了該SNFA具有出色的機(jī)械強(qiáng)度。
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【SNFA的空氣/水凈化應(yīng)用】
SNFA具備高疏水性、微/納孔結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械性能，是潛在的用于水和空氣凈化的過(guò)濾材料。如圖3a所示，當(dāng)SNFA浸入水/大豆油混合液中時(shí)，油能迅速被吸收到SNFA中。當(dāng)取出浸油的SNFA時(shí)，剩余水相體積與原始體積相同，這證實(shí)了SNFA對(duì)油的高選擇性使其可用于油水分離。此外，作者設(shè)計(jì)了空氣凈化實(shí)驗(yàn)來(lái)研究SNFA的過(guò)濾效率。結(jié)果表明大多數(shù)PM2.5能被SNFA過(guò)濾器吸附（圖3e），并附著在其多孔結(jié)構(gòu)中。與醫(yī)用外科口罩、KN95以及3 M口罩相比，SNFA的過(guò)濾效率分別是它們的3.19±0.56、2.36±0.61和1.67±0.49倍（圖3g，h）。
【總結(jié)】
作者通過(guò)使用PEA溶劑焊接電紡絲納米纖維法，制備了一種輕質(zhì)且不溶于水的SNFA。相交的SNF結(jié)構(gòu)的牢固焊接、β片結(jié)構(gòu)的形成以及SNF的單一取向賦予了所制造SNFA的出色性能，包括低密度、相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度和高疏水性。該SNFA在空氣凈化領(lǐng)域可用于PM 2.5吸收，在水處理領(lǐng)域可用于殘留油的吸附和分離，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
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