DOI: 10.1126/science.adw5777

全文概述

浙江大學團隊在Science發表重磅研究，提出二維通道限制化學法，成功制備出194種穹頂胞狀超輕氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物和35種金屬，部分可實現含30種元素的高熵態。這類氣凝膠突破傳統氣凝膠局限，具備從4.2K（液氦溫區）到2273K（超高溫）的超寬溫域超彈性，99% 應變下可循環2萬次且殘余應變＜3%，2273K 熱沖擊100次仍穩定。其中高熵碳化物氣凝膠1273K和2273K時熱導率分別低至53.4mW?m?1?K?1和 171.1mW?m?1?K?1，同時可制成大面積板材（約50×20×0.5cm3）和連續卷材（＞2m），為極端熱機械領域（如高溫隔熱、深空探測）提供全新材料解決方案。

文章亮點

（1）極端溫度彈性：在液氦（4.2 K）至2273 K范圍內保持超彈性；

（2）高循環穩定性：99%應變下2萬次壓縮后仍能恢復；

（3）化學多樣性：涵蓋121種氧化物、38種碳化物、35種金屬，支持高熵設計；

（4）超低熱導率：高熵碳化物氣凝膠在2273 K時熱導率僅171.1 mW·m?1·K?1；

（5）結構創新：穹頂胞元結構賦予其優異的能量吸收和恢復能力。

圖文解析

圖1：制備流程與結構表征

圖（A）制備流程清晰展示三步核心工藝，第一步“離子捕獲”，利用 GO 層間通道（0.97-2.14nm）的螯合作用與二維屏障效應，捕獲單種或多達30種鹽離子，形成原子級均勻的GO-離子雜化物；第二步“鼓泡”，發泡劑分解產生的氣體在GO層間形成穹頂狀胞體，通過調控鼓泡時間可將胞體平均曲率（Ka）調至0.045-0.122μm?1；第三步“熱轉化”，分別在空氣 600℃（4h）、氬氣 2000℃（2h）、氫氣 450℃（1h）條件下，將雜化物轉化為氧化物、碳化物、金屬氣凝膠，且全程保留穹頂結構。圖（B-C）實物照片分別呈現制備的碳化物氣凝膠板材和氧化物氣凝膠卷材，直觀證明材料可實現宏觀尺度制備，板材尺寸達約 50×20×0.5cm3，卷材長度超2m，打破傳統氣凝膠難以規模化生產的瓶頸，凸顯實用價值。圖（D）3D光學圖展示超薄GO薄膜（~500nm厚）鼓泡形成的穹頂胞體模型，可見穹頂頂點具有兩個正交正高斯曲率，邊緣呈鞍形結構，這種非歐幾里得曲率是穹頂結構高承載、高彈性的核心幾何基礎。圖（E-F）SEM 切片圖結果顯示，通過X-Z、Y-Z（垂直面）和X-Y（水平面）三個方向的SEM切片，證實氣凝膠在宏觀尺度下胞體均為穹頂形態，尺寸從幾十到幾百微米不等；納米CT逐層掃描進一步顯示，穹頂胞體在毫米尺度內均勻互聯，無縫接觸的結構確保了材料宏觀彈性與結構完整性。

圖2：穹頂胞狀氣凝膠的化學多樣性及多尺度結構

圖（A）元素概覽表系統梳理氣凝膠庫的元素構成，氧化物涵蓋 Mg、Al、Si 等24種元素，碳化物包含Ti、Cr、Zr 等12種元素，金屬涉及Fe、Co、Ni 等12種元素，且可組合成一元、二元、三元及高熵體系（如含10種元素的AlTiCrCuZnNdSmDyHfTa氧化物），直觀體現材料化學多樣性，為功能定制提供廣闊空間。圖（B-E）典型氣凝膠表征結果顯示，以一元氧化鋁（Al?O?）、碳化鉭（TaC）、銅（Cu）及高熵氧化物氣凝膠為例，左側光學照片顯示材料可輕松漂浮在花蕾上，印證其超輕特性；中間SEM圖像清晰呈現穹頂胞狀結構，胞壁厚度＜10nm，且由納米級晶粒互聯構成；右側AC-TEM（像差校正透射電鏡）和HAADF（高角環形暗場）原子映射圖，證實高熵氣凝膠中30種元素實現原子級均勻混合，解決多元素體系易偏析的難題，為高熵材料性能優化提供結構支撐。

圖 3：穹頂胞狀氣凝膠的力學性能

圖（A）為室溫循環應力-應變曲線：展示含30% 石墨烯的氧化物、碳化物、金屬氣凝膠堆疊體，在298K（室溫）下99%應變循環2萬次的應力-應變曲線。曲線顯示，第1次、第200次、第20000次循環的應力平臺幾乎重合，殘余應變＜3%，應力衰減＜20%，證明材料具備卓越的室溫抗疲勞性能；密度0.35-1.24mg?cm3 的超輕氧化物氣凝膠（如Y?O?、InSn氧化物）在80%應變下循環1萬次，應變衰減＜8%，進一步凸顯其力學穩定性。圖（B）原位SEM壓縮觀察記錄穹頂胞體在壓縮過程中的變形行為，低應變時胞體整體形變，高應變（80%）時胞壁產生大量細密褶皺——這種“不可展表面”特有的褶皺效應，可有效儲存彈性應變能，避免胞壁間平滑緊密接觸導致的塑性變形，從微觀層面解釋了材料高彈性的起源；對比傳統蜂窩結構氣凝膠（胞壁縱向形變后緊密接觸，彈性恢復差），凸顯穹頂結構的設計優勢。圖（C）彈性-密度關系圖顯示，將該氣凝膠與已報道氣凝膠的“最大可恢復應變-表觀密度”數據對比，結果顯示，該氣凝膠在密度低至0.35mg?cm3時，仍能實現99%的最大可恢復應變，顯著突破傳統氣凝膠低密度與高彈性不可兼得的限制，刷新氣凝膠力學性能邊界。圖（D-E）極端溫度循環曲線結果顯示，圖（D）為碳化物氣凝膠堆疊體在4.2K（液氦環境）下99%應變循環100次的曲線，兩次循環曲線完全重合，無高度損失；圖（E）為同一堆疊體在2273K下99%應變循環100次的曲線，同樣保持優異恢復性，證明材料在極低溫到超高溫的全溫域內均穩定保持超彈性，解決石墨烯氣凝膠 2273K下因軟化失效的問題。圖（F）火焰中循環曲線展示碳化物氣凝膠在雙側丁烷噴燈火焰（超1573K）中，99%應變循環100次的應力-應變曲線，曲線重合度高，插圖照片顯示材料在火焰中無明顯燒蝕或坍塌，證實其兼具超彈性與抗燒蝕性能，為高溫極端環境應用（如航空發動機隔熱）提供可能。

圖4：碳化物氣凝膠的超高溫隔熱性能

圖（A）為寬溫域熱導率，測定碳化鉭（TaC）和高熵（ZrTaNbTiHf）C氣凝膠在173-2273K的熱導率，結果顯示，高熵碳化物氣凝膠熱導率隨溫度升高緩慢增長，1273K時低至53.4mW?m?1?K?1，2273K時僅171.1mW?m?1?K?1，遠低于傳統陶瓷氣凝膠；其低熱導源于三方面：超低密度與納米晶界抑制固體傳熱、30nm納米孔限制氣體傳熱、二維胞壁拓撲結構產生的各向異性阻礙橫向傳熱。圖（B）力學循環后熱導率記錄TaC和高熵碳化物氣凝膠在室溫下99%應變循環1萬次的熱導率變化，循環前后熱導率幾乎無波動，證明材料經長期力學疲勞后，隔熱性能仍穩定，圖（C）測試 TaC氣凝膠在2273K下100次熱沖擊（1773K以下500K/s，1773-2273K為100K/s）后的熱導率，結果顯示熱導率無明顯變化，SEM和元素映射圖證實材料結構與成分均保持完整，說明其具備優異的抗熱震性能，可適應極端溫度波動環境。圖（D）隔熱演示照片展示8mm厚TaC氣凝膠板保護新鮮玫瑰抵御丁烷噴燈火焰（超1573K）5分鐘的實驗，左側照片顯示火焰直接灼燒氣凝膠板背面，玫瑰完好無損；右側熱成像圖顯示氣凝膠板背面溫度遠低于玫瑰耐受溫度，直觀驗證材料的高效隔熱能力。圖（E）工作溫度-室溫熱導率對比顯示，將該碳化物氣凝膠與傳統隔熱材料（如氧化鋯氣凝膠、碳化硅、石棉、聚合物泡沫等）的“最高工作溫度-室溫熱導率”對比，結果顯示，該氣凝膠在室溫熱導率（20mW?m?1?K?1）遠低于多數材料的同時，最高工作溫度（2273K）遠超現有陶瓷氣凝膠，實現“低導熱”與“高耐溫”的協同。圖（F）為高溫熱導率對比結果，對比該碳化物氣凝膠與已報道典型陶瓷材料在1273K和2273K的熱導率，可見該氣凝膠在1273K時熱導率＜60mW?m?1?K?1，2273K時＜180mW?m?1?K?1，顯著低于傳統高溫陶瓷（如碳化硼、氧化鋯），證實其在超高溫環境下的隔熱性能優勢。

總結與展望

本研究通過二維通道限域化學策略成功構建了具有穹頂胞元結構的超輕氣凝膠家族，實現了極端溫度下的超彈性和超低熱導率，突破了傳統氣凝膠在高溫下的力學和熱學瓶頸。該材料在航天熱防護、深空探測、高溫工業隔熱等領域具有廣闊應用前景。未來可進一步探索其多功能集成（如光電、磁學性能），推動其在更復雜極端環境中的應用。

通訊作者簡介

高超，浙江大學求是特聘教授，博士生導師，浙江大學高分子科學研究所所長。1995年畢業于湖南大學化學化工學院有機化工專業，獲學士學位；1998年畢業于同校精細化工專業獲碩士學位；2001年畢業于上海交通大學高分子科學與工程系，獲得工學博士學位，并留校任教。2003年11月至2006年8月先后在英國Sussex大學化學系Harold W. Kroto爵士實驗室、日本Toyo大學Toru Maekawa教授組、德國Bayreuth大學Axel H. E. Müller教授組做訪問研究、博士后研究、合作研究和洪堡基金研究員。2008年2月加入浙江大學高分子科學與工程學系，同年7月被評為教授、博士生導師。2015年5月至今，擔任高分子科學研究所所長；2016年12月至今，擔任浙江省科協第十屆委員會委員、常委；2017年4月至今，擔任浙江大學學術委員會委員；同時，入選科技部“創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才”、“浙江省151人才工程第一層次培養人員”。 承擔國家基金委重大、重點、杰青項目等科研項目十多項。2D Materials、Advanced Fiber Materials、 Carbon Energy、Nano-Micro Lett.、《中國科學：化學》、《功能高分子學報》等期刊編委。曾獲“2021年度浙江省自然科學獎一等獎”、首屆“錢寶鈞纖維材料青年學者獎”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二屆浙江省青年科技獎”等榮譽。

劉英軍，浙江大學高分子科學與工程學系百人計劃研究員，博士生導師，國家高層次人才支持計劃青年拔尖人才項目、浙江省杰出青年基金獲得者。2017年6月獲得浙江大學理學博士學位；2017年7月-2020年3月于浙江大學從事博士后研究；2020年4月加入浙江大學高分子科學與工程學系，任特聘副研究員；2022年12月，獲聘浙江大學百人計劃研究員。近年來主要從事石墨烯材料的結構功能設計及工程應用研究，在Adv. Mater.、ACS Nano、Carbon等期刊發表學術論文40余篇，授權多項中國發明專利。承擔國家自然科學基金面上/青年項目、浙江省杰青項目、企業委托技術開發項目等。榮獲2021年度浙江省自然科學獎一等獎、2017年度中國紡織工程學會優秀博士學位論文獎。

許震，浙江大學高分子科學與工程學系特聘研究員，博士生導師，浙江大學百人計劃獲得者。2009-2013年浙江大學化學博士，2013-2015年浙江大學博士后，2016-2017年英國劍橋大學博士后，2017年至今，浙江大學高分子科學與工程學系，特聘研究員。近年來主要從事石墨烯液晶以及纖維的可控制備和性能研究，主要學術成績有發現氧化石墨烯液晶，發明了石墨烯纖維，推進了石墨烯纖維的高性能化和多功能化。在Nature Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano及Acc. Chem. Res. 等國際高水平期刊上發表文章100余篇。曾獲浙江省自然學術獎一等獎，浙江大學優秀博士論文獎。

龐凱，博士，浙江大學專職研究員。2018-2021年浙江大學博士，2021-2024年浙江大學博士后，2024年12月入職浙江大學。主要從事石墨烯基元調控、二維通道受限化學組裝及面向極端環境的輕質高性能氣凝膠材料研究。在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.及Adv. Mater.等國際知名期刊發表學術論文40余篇。曾獲山東省優秀學位論文、浙江大學優秀研究生等榮譽。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持與認可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。