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  氣凝膠纖維是通過溶膠-凝膠紡絲和特種干燥技術直接獲得的一種超輕多孔的新型高性能纖維，是氣凝膠結構在纖維材料中的完美體現。氣凝膠纖維因其具有高孔隙率、低密度和優異的隔熱保溫性能而受到廣泛關注，并被視為下一代保暖纖維，有望顛覆羽絨，替代超細纖維，在紡織、環境、能源等諸多領域具有重要應用前景。雖然目前已經有氣凝膠纖維問世，但是與種類繁多的塊體氣凝膠相比，氣凝膠纖維的種類還屈指可數。這是由于塊體氣凝膠制備過程中的靜態溶膠-凝膠轉變過程與纖維的動態紡絲過程之間存在明顯差異，通過傳統的動態紡絲方法難以直接利用塊體氣凝膠的靜態溶膠-凝膠轉變研究成果。

  針對這一問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（簡稱中科院蘇州納米所）張學同團隊提出了一種制備氣凝膠纖維的普適方法，即溶膠-凝膠限域轉變（SGCT）方法，巧妙的把氣凝膠纖維的動態紡絲過程調整為靜態的溶膠-凝膠轉變過程，從而為制備任意組分的氣凝膠纖維奠定了堅實的技術基礎。以聚酰亞胺（PI）氣凝膠纖維制備為例，如圖1所示，首先通過毛細管力使氣凝膠前驅體溶液進入玻璃毛細管內腔，然后在毛細管的限域空間內實現前驅體的靜態溶膠-凝膠轉變，之后通過簡單的溶劑沖洗取出凝膠纖維，最后利用超臨界CO₂干燥獲得了相應的氣凝膠纖維。得到的聚酰亞胺氣凝膠纖維具有超高比表面積（高達364 m2/ g），出色的機械性能（彈性模量為123 MPa），優異的疏水性（接觸角為153°）和顯著的柔韌性（曲率半徑為200 μm）。

圖1、通過溶膠-凝膠限域轉變策略制備PI氣凝膠纖維的流程示意圖

  實驗表明，采用同樣單體制備出的PI氣凝膠塊體是超親水的（接觸角為0°），而采用SGCT方法制備出的PI氣凝膠纖維則是超疏水的（接觸角高達153°）。這是由于單體中的甲基基團在限域空間內易于在纖維表面富集造成的。此外，與商業化的棉纖維或者實驗室自制的芳綸氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維也表現出顯著優于上述兩者的離火自熄滅（阻燃）特性。進一步測試表明，棉纖維的極限氧指數為24，芳綸氣凝膠纖維的極限氧指數為28，而PI氣凝膠纖維的極限氧指數則高達46.2。隔熱性能測試表明，與傳統的棉纖維及超細纖維相比，PI氣凝膠纖維具有更加優異的隔熱保溫性能，且隔熱保溫性能的優異程度與氣凝膠纖維的直徑正相關。值得注意的是，即使在極端惡劣的環境下（-165 °C ~ 205 °C的范圍內），由PI氣凝膠纖維制成的氣凝膠織物也具有出色的隔熱保溫效果。

圖2、（a）高溫下普通棉線與不同直徑的PI氣凝膠纖維的紅外熱成像圖；（b）普通棉線與不同直徑的PI氣凝膠纖維的溫差對比；（c）普通棉布與PI氣凝膠織物對人體皮膚保溫效果的數碼照片與紅外圖像。

  此外，研究團隊通過SGCT策略成功制備出了多種有機氣凝膠纖維、多種無機氣凝膠纖維和有機/有機、無機/無機、有機/無機雜化氣凝膠纖維，如圖3所示，證明了SGCT策略的普適性。有理由相信，只要獲得了塊體氣凝膠的靜態溶膠-凝膠轉變原理，通過SGCT策略，可以很容易地制備出與此塊體氣凝膠相對應的氣凝膠纖維，從而為最大限度地利用已知塊體氣凝膠的靜態溶膠-凝膠轉變知識制備出盡可能多的氣凝膠纖維提供了可能性。

圖3、通過SGCT策略制備不同種類的氣凝膠纖維掃描電鏡照片（a）瓊脂糖氣凝膠纖維；（b）芳香聚酰胺氣凝膠纖維；（c）間苯二酚-甲醛氣凝膠纖維；（d）石墨烯氣凝膠纖維；（e）碳氣凝膠纖維；（f）氧化硅氣凝膠纖維；（g）聚酰亞胺/氧化硅雜化氣凝膠纖維；（h）石墨烯/碳納米管雜化氣凝膠纖維；（i）芳香聚酰胺/羥甲基纖維素雜化氣凝膠纖維。

  上述相關研究成果發表在美國化學會的ACS Nano雜志上，論文作者包括博士生李鑫、博士后董國慶、博士生劉增偉。通訊作者為中科院氣凝膠團隊（www.aerogel-online.com）的張學同研究員。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09391