上海大学张阿方教授/中科院苏州纳米所张学同研究员AM：纳米多孔尼龙气凝胶问世！

摘要：气凝胶作为一种超轻多孔材料，在过去近一个世纪的发展中，其机械性能虽已有显著提升，但从无机到高分子各类气凝胶普遍面临一个根本性挑战：为了实现足够的骨架刚性以抵抗干燥过程中的毛细力，材料往往牺牲了热塑性，无法进行热切割、热焊接、热封装和热压印等常规热机械加工，极大

气凝胶作为一种超轻多孔材料，在过去近一个世纪的发展中，其机械性能虽已有显著提升，但从无机到高分子各类气凝胶普遍面临一个根本性挑战：为了实现足够的骨架刚性以抵抗干燥过程中的毛细力，材料往往牺牲了热塑性，无法进行热切割、热焊接、热封装和热压印等常规热机械加工，极大限制了其工程应用。尽管热塑性聚合物理论上可解决这一问题，但分子链柔性却与骨架刚性之间存在天然矛盾，导致现有热塑性气凝胶往往结构粗糙、比表面积低、隔热性能差。

近日，上海大学张阿方教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员合作，提出了一种名为“溶解度-pKa耦合效应”的通用策略，成功制备出具有优异热机械加工性能的纳米多孔尼龙气凝胶家族。通过调控溶剂与尼龙之间的溶解度参数（δ）与酸解离常数（pKa），研究人员实现了尼龙分子的一维自组装，构建出交错纳米纤维骨架，使气凝胶同时具备高比表面积（最高达226 m²/g）、高压缩模量（12.6 MPa）和超低导热系数（0.034 W/(m·K)）。更引人注目的是，该气gel还展现出独特的热塑性，可通过热封装、热切割、热焊接和热压印等多种方式进行功能化加工，并在加工过程中产生荧光现象，为热记录与防伪应用提供了新可能。相关论文以“ Solubility-pKa Coupling Effect Tailored Nanoporous Nylon Aerogel Family with Multiple Thermomechanical Processes ”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Chen Jian。

示意图1. 溶解度-pKa耦合效应定制纳米多孔尼龙气凝胶家族示意图，展示其热塑性变形能力及伴随的荧光现象。

研究团队首先通过三元溶解度参数图与pKa调控，系统筛选出适用于尼龙66气凝胶制备的溶剂体系。如图1a所示，气凝胶的制备包括溶解、凝胶化、溶剂置换和超临界干燥三个主要步骤。图1b中的流变学曲线显示，在114°C时储能模量G'与损耗模量G''相交，标志着溶胶-凝胶转变的发生。XRD图谱（图1c）进一步证实了凝胶与气凝胶中α晶型的形成。通过对比不同溶剂所制备气凝胶的SEM图像（图1d），研究发现苯甲醇作溶剂时可形成高长径比的“蛛网状”纳米纤维结构，而其他溶剂则易导致二维或三维大尺寸聚集，从而降低比表面积。溶解度参数图（图1e）与Flory-Huggins相互作用参数的计算表明，苯甲醇与尼龙66的相容性最佳。更值得注意的是，溶剂的p值也对组装行为产生显著影响：尽管苯甲醇与间甲酚溶解度参数相近，但pKa差异显著（14.4 vs 10.1），使得降低系统pKa可有效抑制分子链聚集，从而提升比表面积（图1f–g）。FTIR分析进一步证实，低pKa溶剂能与尼龙酰胺基团形成更强氢键，调控自组装路径（图1h）。

图1. 溶解度-pKa耦合效应定制的纳米多孔尼龙气凝胶。a) 尼龙气凝胶制备流程。b) 尼龙66凝胶的储能模量G′和损耗模量G″随温度变化曲线。c) 尼龙66凝胶与气凝胶的XRD图谱。d) 由1,4-丁二醇（左）和苯甲醇（右）制备的尼龙66气凝胶的SEM图像。e) 基于三元分数溶解度参数的溶剂与尼龙66的溶解度图谱。f) 不同苯甲醇与间甲酚溶剂比例所制备气凝胶的比表面积。g) 不同溶剂比例下气凝胶骨架纳米纤维直径统计。误差棒代表标准偏差；样本数 n = 50。h) 溶解度-pKa耦合效应定制纳米多孔尼龙气凝胶示意图。

在此基础上，研究团队拓展了该耦合策略的适用性，成功制备出尼龙6、11、56、66和610等多种尼龙气凝胶（图2a）。不同溶剂与尼龙组合所制备的气gel均表现出类似的氮吸附-脱附曲线与纤维交织结构（图2b–e），显示出该方法的普适性。此外，气凝胶还表现出优异的隔热性能与机械强度：在密度为100 mg/cm³时，导热系数低至0.034 W/(m·K)，压缩模量达12.6 MPa，可承受65 kg成人站立（图2f–g）。其比模量甚至优于多数热塑性气凝胶，与高性能热固性气凝胶相当（图2h）。通过选择生物基尼龙（如尼龙11）与绿色溶剂，还可实现全可持续气凝胶的制备与循环利用（图2i）。

图2. 溶解度-pKa耦合效应用于尼龙气凝胶家族及其性能。a) 基于耦合效应所选用的溶剂与尼龙库。b) 由苯甲醇与不同溶剂混合溶液（摩尔比1:1）制备的尼龙66气凝胶的氮吸附-脱附曲线。c) 由间甲酚与苯甲醇混合溶液制备的尼龙66气凝胶的SEM图像。d) 不同尼龙气凝胶的氮吸附-脱附曲线。e) 尼龙610气凝胶的SEM图像。f) 尼龙气凝胶导热系数随密度和温度的变化。g) 气凝胶块体在承受65 kg成人重量前后的形态照片。h) 文献报道不同原料所制备气凝胶的比模量与密度对比。i) 基于δ-pKa耦合效应设计与获取可按需回收的绿色气凝胶示意图。

尤为突出的是，尼龙气凝胶展现出丰富的热加工性能。图3a–d展示了热封装技术：通过在275°C热台上表面熔化再结晶，形成致密保护层，显著提升疏水性与力学性能，弯曲模量最高提升3.6倍。图3e–h展示了热切割与热焊接：利用热丝切割可实现光滑截面（Sa从54.9 μm降至4.1 μm），并可通过焊接组装复杂结构如鲁班锁。图3i–k则展示了热压印技术：利用气凝胶多孔结构在压印中通过孔洞塌陷而非材料流动实现微结构成型，成功制备出具有40 μm间距、70 μm深度的山地形微观图案。

图3. 尼龙气凝胶的热机械加工。a) 尼龙气凝胶热封装示意图。b) 热封装前后尼龙66气凝胶的水接触角。c) 热封装前后尼龙66气凝胶的三点弯曲力学曲线与d) 弯曲模量。e) 尼龙气凝胶的热切割与热焊接示意图。f) 气凝胶块体热切割的红外相机图像。g) 机械切割与热切割尼龙66气凝胶的3D共聚焦图像。h) 通过热切割片组装的气凝胶鲁班锁照片。i) 尼龙气凝胶热压印示意图。j) 热压印微结构的SEM图像与k) 3D共聚焦图像。

这些加工技术极大拓展了气凝胶的应用场景。如图4a–b所示，通过热封装、切割与焊接集成制造的无人机机身，实现减重51.2%，并具备优异隔热能力。图4c显示，经氟碳树脂疏水处理后，再通过热压印构建微纳结构，接触角可达151.3°，实现超疏水表面，并可调控为荷叶效应（低粘附）或花瓣效应（高粘附）。此外，利用热压印还可制作QR码，在红外、可见光与紫外下均清晰可读（图4d）。其中紫外荧光源于热加工过程中尼龙的热氧化降解生成荧光发色团，为防伪与信息加密提供了新途径。

图4. 热机械加工后尼龙气凝胶的应用。a) 通过焊接顶部主体与底部电池舱组装尼龙气凝胶无人机（UAV）机身示意图与b) 照片。c) 未压印疏水气凝胶表面（左）与具有微纳结构压印的疏水气凝胶表面（右）的接触角。通过疏化控制可调控为荷叶效应与花瓣效应。d) 不同光波长下气凝胶表面热压印QR码的照片。

该研究通过“溶解度-pKa耦合效应”成功克服了气凝胶刚性-可塑性之间的矛盾，为热塑性气凝胶的设计与制备提供了通用框架。所开发的尼龙气凝胶家族不仅具备优异的力学与隔热性能，还支持多种热加工工艺，拓展了在航空航天、建筑、防护装备与功能材料等领域的应用前景。未来，研究将进一步拓展其他生物基与环保型尼龙气凝胶，推动其可持续制造与多功能集成。