3D 打印膠體氣凝膠 —— 材料世界的 “變形金剛”，從結(jié)構(gòu)到功能的神奇演變

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

氣凝膠作為一類在多學(xué)科領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用的多孔納米材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前對(duì)于3D打印氣凝膠的系統(tǒng)性綜述尚處于起步階段，尤其是在區(qū)分膠體氣凝膠和分子氣凝膠方面存在不足，且缺乏從膠體科學(xué)角度對(duì)3D打印膠體氣凝膠進(jìn)行的深入探討。  

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)，綜述了3D打印膠體氣凝膠這一研究領(lǐng)域的進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)從膠體科學(xué)的視角出發(fā)，深入探討了3D打印膠體氣凝膠的發(fā)展歷程、關(guān)鍵制備步驟、打印策略、分類、限域功能化、獨(dú)特性能、新興應(yīng)用，以及當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)機(jī)遇。特別對(duì)打印過(guò)程中的熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)、溶膠/溶膠 - 凝膠/凝膠打印策略和限域功能化進(jìn)行了詳細(xì)闡述。團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)開(kāi)發(fā)新的打印技術(shù)、優(yōu)化墨水配方、改進(jìn)打印設(shè)備等措施，有望解決當(dāng)前3D打印膠體氣凝膠面臨的如打印速度慢、多組分打印困難等問(wèn)題，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向。相關(guān)工作以“3D printed colloidal aerogels: Principle, process, performance, and perspective”為題發(fā)表在《Progress in Materials Science》上。 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所程青青副研究員為論文第一作者，張學(xué)同研究員為論文通訊作者。

1. 3D打印膠體氣凝膠的制備     
- 制備流程：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和流程分析，明確3D打印膠體氣凝膠的制備包含墨水設(shè)計(jì)與制備、打印過(guò)程、溶劑交換和干燥以及后處理等關(guān)鍵步驟。墨水需考慮納米構(gòu)建塊種類等因素；打印有噴墨、擠出、光固化等方式；干燥方法影響氣凝膠結(jié)構(gòu)；后處理可優(yōu)化氣凝膠性能。

圖 1. 分子氣凝膠和膠體氣凝膠的制備過(guò)程差異

圖2 3D打印膠體氣凝膠的關(guān)鍵制備步驟示意圖

- 打印策略：采用分類討論和實(shí)例分析方法，根據(jù)溶膠 - 凝膠轉(zhuǎn)變時(shí)間，將打印策略分為溶膠打印、溶膠 - 凝膠打印和凝膠打印。溶膠打印在打印后發(fā)生轉(zhuǎn)變，適用于多種材料；溶膠 - 凝膠打印在打印過(guò)程中轉(zhuǎn)變，分物理和化學(xué)兩種方式，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)打��；凝膠打印在打印前完成轉(zhuǎn)變，能利用現(xiàn)有凝膠體系。

圖3 3D打印膠體氣凝膠的三種特定策略示意圖

圖4 溶膠打印

圖5 物理溶膠 - 凝膠打印

圖6 化學(xué)溶膠 - 凝膠打印

圖7 凝膠打印”中展示了不同打印策略的具體過(guò)程。

2. 3D打印膠體氣凝膠的性能研究     
- 機(jī)械性能：以Kevlar、石墨烯/CNT等膠體氣凝膠為研究對(duì)象，通過(guò)力學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)設(shè)計(jì)氣凝膠的層次結(jié)構(gòu)調(diào)控其機(jī)械性能。如Kevlar膠體氣凝膠可獲得負(fù)泊松比，石墨烯/CNT膠體氣凝膠能實(shí)現(xiàn)高拉伸比和高疲勞抗性。

圖8 3D打印膠體氣凝膠的機(jī)械性能”展示了相關(guān)氣凝膠的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線、拉伸性能等數(shù)據(jù)。     

- 熱性能：運(yùn)用熱性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，熱導(dǎo)率受結(jié)構(gòu)影響，可通過(guò)控制打印參數(shù)調(diào)節(jié)熱傳導(dǎo)。如3D打印的聚酰亞胺 - 二氧化硅膠體氣凝膠屏蔽和Kevlar膠體氣凝膠能有效阻擋熱量傳遞。

圖9 3D打印膠體氣凝膠的熱性能     

- 吸附性能：利用吸附實(shí)驗(yàn)和吸附模型分析，研究3D打印膠體氣凝膠對(duì)多種物質(zhì)的吸附能力和吸附機(jī)制。結(jié)果表明其對(duì)染料、有機(jī)污染物等有良好吸附能力，如3D打印的石墨烯微球?qū)�亞甲基藍(lán)的吸附性能優(yōu)異。

圖10 3D打印膠體氣凝膠的吸附性能   

- 光學(xué)性能：通過(guò)光學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征，研究光與氣凝膠的相互作用。發(fā)現(xiàn)氣凝膠的光學(xué)性能與納米構(gòu)建塊大小、結(jié)構(gòu)有關(guān)，可通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)控光的吸收、散射和透射。如3D打印的Au - 納米棒TiO2膠體氣凝膠在可見(jiàn) - 近紅外范圍內(nèi)有強(qiáng)消光特性。

圖11 3D打印TiO2納米顆�；�膠體氣凝膠的光學(xué)性能

- 電磁屏蔽性能：分析3D打印膠體氣凝膠對(duì)電磁波的反射、吸收和多次內(nèi)部反射損耗機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇可提高電磁屏蔽效率。如3D打印的過(guò)渡金屬碳化物/碳納米管/聚酰亞胺（GCMCP）膠體氣凝膠具有良好的電磁屏蔽性能。

圖12 3D打印膠體氣凝膠的電磁干擾屏蔽性能

- 電化學(xué)性能：研究3D打印膠體氣凝膠在電池、超級(jí)電容器等電化學(xué)器件中的應(yīng)用，如離子傳輸、電容特性等。發(fā)現(xiàn)其在電化學(xué)器件中具有優(yōu)勢(shì)，如3D打印的石墨烯/MWCNT電極能加速離子/電荷傳輸。

圖13 3D打印膠體氣凝膠的電化學(xué)性能

3. 3D打印膠體氣凝膠的應(yīng)用探索   
- 能源存儲(chǔ)：通過(guò)實(shí)例展示和性能分析，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠可用于組裝多種電化學(xué)器件，如鈉金屬電池、鋅離子電池、超級(jí)電容器和摩擦納米發(fā)電機(jī)等，能提高能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換效率。

圖14 3D打印膠體氣凝膠用于能源存儲(chǔ)系統(tǒng)

- 熱管理：以3D打印的二氧化硅基和Kevlar基膠體氣凝膠為例，研究其在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用，如作為隔熱材料和用于紅外隱身。結(jié)果表明它們能有效阻擋熱量傳遞和控制紅外輻射。

圖15 3D打印膠體氣凝膠用于熱管理   

- 催化：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠與功能材料結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)化合物的光熱催化降解、二氧化碳轉(zhuǎn)化等。如3D打印的二氧化硅基雙層膠體混合氣凝膠可用于甲苯的光熱催化降解。

圖16 3D打印膠體氣凝膠用于催化   

- 太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)：研究3D打印膠體氣凝膠在太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其多孔結(jié)構(gòu)和光熱轉(zhuǎn)換性能可實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā)和海水淡化。如3D打印的纖維素/藻酸鹽/碳納米粉末氣凝膠和聚酰亞胺/MXene膠體氣凝膠陣列在太陽(yáng)能蒸發(fā)器中表現(xiàn)出色。

圖17 3D打印膠體氣凝膠用于太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)

- 傳感器和執(zhí)行器：通過(guò)制備不同結(jié)構(gòu)的氣凝膠并測(cè)試其對(duì)外部刺激的響應(yīng)性能，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠在傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域有應(yīng)用潛力，如用于氣體傳感、應(yīng)變傳感等。

圖18 3D打印膠體氣凝膠用于傳感器和執(zhí)行器

- 生物工程：以3D打印的Kevlar/PVA膠體氣凝膠和絲素蛋白膠體氣凝膠為例，通過(guò)體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)它們?cè)谏�物工程領(lǐng)域有應(yīng)用前景，如高效止血和促進(jìn)骨組織再生。

圖19 3D打印膠體氣凝膠用于生物工程

4. 3D打印膠體氣凝膠的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
分析3D打印膠體氣凝膠當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，包括超快速打印、多組分打印、全連續(xù)打印、面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)等方面。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和應(yīng)用需求的研究，提出相應(yīng)的解決方向和未來(lái)發(fā)展機(jī)遇。

圖20 當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)機(jī)遇對(duì)3D打印膠體氣凝膠，涉及超快速打印、多組分打印、全連續(xù)打印、面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)

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https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101456