on style="white-space: normal; margin-top: 10px; margin-right: 8px; margin-left: 8px; line-height: 2em;">金属氧化物纤维由于本征脆性且相互作用较弱，因此难以将其组装成为弹性气凝胶。目前相关报道依赖冷冻干燥等高耗能技术、对金属氧化物组分具有限制、常以牺牲纤维表面活性位点为代价，且依赖繁杂的“试错法”。东南大学代云茜教授与清华大学危岩教授合作在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Smart-simulation derived elastic 3D fibrousaerogels {attr}3220{/attr} rigid oxide elements and all-in-one multifunctions”的文章（DOI：10.1016/j.cej.2022.135444）。利用有限元分析建立小型数据库，从纳米到宏观多尺度智能筛选出易于将脆性氧化物纳米纤维交联成弹性3D气凝胶的材料成分和结构。使用还原氧化石墨烯（RGO）作为交联剂、气泡作为模板，简便地将本征脆性的改性TiO2纳米纤维构筑成弹性气凝胶。气凝胶具有良好的弹性（可承受至少1000次的循环可逆压缩，可承受−196至700 °C的极冷、极热严苛条件），表现出超低密度（7.02 mg·cm−3），且可以超快速地完成光热转换与汲水。利用上述优点，该气凝胶可以高效地利用太阳能驱动，蒸发含有微塑料污染物的海水。进一步，巧妙利用海水温差，将蒸发获得的蒸汽自然冷凝、收集成为净水，形成“无电力”、“无碳排”的自动净水系统。该过程中，太阳能-蒸汽转化效率超过100%（1个太阳辐照下），且收集的净水中微塑料污染物的去除率高达100%。不同于已报道的蒸发器，该弹性气凝胶即使在蒸发后也可以循环利用，用于可穿戴的御寒材料和压感智能材料。这项工作为利用智能仿真设计、将力学脆性的材料简便组装为弹性气凝胶提供了一种通用策略。同时，为目前受限于力学稳定性的先进纳米材料，拓展新功能和新应用提供了新机会。
图1.基于有限元分析的三维纤维气凝胶力学结构设计。（A）受到由树枝组装成为鸟巢的启发。（B）通过智能模拟，对气凝胶组分参数和机械性能之间的相关性进行归纳分析，以筛选出赋予气凝胶低杨氏模量和高强度的最佳组成与结构。（C）利用有限元分析在一维、二维和三维上优化结构，模拟还原氧化石墨烯交联改性TiO2纳米纤维后的应变和应力分布。图2.（A）利用气泡模板和自然干燥构筑弹性TiO2/RGO示意图。（B）该方法获得的具有宏量制备潜力的大尺寸3D TiO2/RGO气凝胶及本征脆性的TiO2纳米纤维的对比图。（C）多孔结构的RGO片。（D–I）由RGO交联的多级TiO2纤维骨架。图3.（A）TiO2/RGO气凝胶的压应力-应变曲线。（B）TiO2/RGO的循环压缩试验。（C）压缩循环后杨氏模量和最大应力的变化。（D）经过1000次压缩后的气凝胶，孔结构、交联结构保持良好。（E）在300次循环压缩试验后，多种组分的氧化物纤维气凝胶的杨氏模量和最大应力的保留率，显示该策略的材料普适性。（F）气凝胶在高温处理（700 °C）2小时或液氮（–196 °C）冷冻冲击下的良好机械弹性。（G）700 °C热处理后气凝胶的循环压缩曲线。图4.（A）气凝胶多层结构设计示意图。（B，上）气凝胶良好的光吸收特性、吸水性。（B，下）利用气凝胶蒸发过程中的水质量变化，及光照下气凝胶的光热转化温度。（C）在户外环境中太阳能驱动产水实验。（D，E）利用先进的原位FTIR显微技术观测蒸发前、后收集的聚乙烯微塑料。（G）EPR{attr}3187{/attr}显示气凝胶产生的活性氧。（H）无电自然冷凝系统的示意图，以及设计的“浮动太阳能农场”完成农场自动供水的示意图。海水颜色的渐变表示温度梯度。图5.（A）TiO2/RGO气凝胶的循环利用过程，包括通过压缩储存在小盒子中以便于运输，从盒子中释放并直接用作蒸发器，在蒸发后作为功能性纺织品再次使用。（B）便携式TiO2/RGO压缩、存储和释放过程。（C，左）气凝胶作为织物中的隔热材料和智能传感器。（C，右）气凝胶填充在背心中的可变形性。（D）气凝胶具有有效的御寒功能。（E，F）气凝胶压力传感器测试及可视化压感电流图。
ohost.cn/storage/9794/weixin/2203/25/95cca6d839b9fb97ffd4f04ce25f88c1.png" style="text-indent: 0em;"/>示意图1.（A）3D TiO2/RGO纤维气凝胶的多功能一体化（B）和先进性能对比总结。（B）中的红星突出了我们的工作，处于已有报道前列。Meng, X.; Peng, X.; Wei, Y.; Ramakrishna, S.; Sun,Y.; Dai, Y., Smart-simulation derived elastic 3D fibrous aerogels with rigidoxide elements and all-in-one multifunctions. Chem. Eng. J. 2022, 437, 135444.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722009470东南大学代云茜教授，利用制备人工纳米纤维的最有效技术静电纺为特色手段，围绕能源、催化及环境领域的应用需求，专注于在多尺度上开展纳米纤维基复合材料的按需构筑、表界面效应、构效关系的研究。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int.Ed.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.等化学、化工、材料类著名学术刊物，累积影响因子>400。荣获中国静电纺丝与纳米纤维技术“金丝鹭”优秀青年奖、江苏省优秀博士学位论文奖、全国“挑战杯”金奖指导教师奖、《Advanced Fiber Materials》高被引作者奖等。入选华英学者（限3人/2年，当届唯一女性入选者）、RSC Nanoscale新锐科学家、Wiley ChemNanoMat亚太地区杰出女性化学家、江苏省六大人才高峰、江苏省青年托举人才、东南大学优秀青年基金（A类，限10人/年）、创业江北高层次人才。受邀担任《Advanced Powder Materials》首届特任编委、《Chinese Chemical Letters》青年编委。荣获中国发明专利授权14项、美国专利1项。主编科学出版社十四五首批本科生规划教材（在编）、东南大学优秀研究生教材（在编），参编Springer Nature、Elsevier出版社学术论著3部。
来源：高分子科学前沿
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