在航天器重返大气层时的千度高温中，在极寒地区建筑的能源损耗困境里，隔热材料始终是人类对抗极端环境的关键屏障。传统隔热材料如岩棉、聚氨酯泡沫，虽应用广泛却暗藏 “硬伤”：密度大、易吸水、防火性差，在高温下还可能因结构坍塌引发安全事故。气凝胶虽以 “轻质 + 低导热” 成为新一代隔热材料的希望，但普通气凝胶强度低、易粉化，难以在极端环境中独当一面。如何让隔热材料同时具备轻质、高强、阻燃、耐高温等 “全能属性”？科学家将目光投向了自然界的 “隔热大师”—— 叶子。
近日，中国电子科技大学团队以天然叶片结构为灵感，成功合成了二氧化硅/壳聚糖/氧化锆纤维复合气凝胶（SCZ）。该复合气凝胶具有仿生学设计，模拟了叶片的表皮、叶肉和叶脉，使SCZ具有低密度、机械强度高、高温尺寸稳定性好、和低导热性。这些性能是通过有效地阻止热传递和防止局部应力下的结构坍塌来实现的。此外，组分之间的协同相互作用赋予气凝胶额外的性能，包括阻燃性，辐射冷却，疏水性，这项研究不仅提出了在极端环境下具有隔热和阻燃性能的通用气凝胶，而且还提出了一种简单，这为仿生气凝胶在热防护和节能方面的应用奠定了坚实的基础。研究成果以“Leaf-Inspired Biomimetic Aerogels for Thermal Insulation in Extreme Environments”为题发表在《Small Structures》期刊。
图1. 仿生设计。a) 受叶片结构启发的示意图。b) 二氧化硅/壳聚糖/氧化锆纤维复合气凝胶（SCZs）的制备工艺流程。c) 氧化锆纤维的掺入量设定为疏水性热解法二氧化硅重量的20%(SCZ20)的实物照片。d) SCZ20在压缩状态下的照片。e) 厚度为2毫米的SCZ20烧穿测试。图2. 结构形貌与化学成分。a,b) 壳聚糖气凝胶(CA)的纵截面和横截面SEM图像。c,d) SCZ20的纵截面和横截面SEM图像。e) SCZ20的干涉图样。f) 桥接区域的SEM图像。g,h) SCZ10、SCZ20、SCZ30和SCZ40的XRD衍射图谱和FTIR光谱。
图3. 力学性能。a)气凝胶的密度与孔隙率。b)SCZs的孔径分布。c,d)气凝胶的压缩应力-应变曲线以及杨氏模量与极限应力。e)液氮处理后SCZ20的应力-应变曲线。f)SCZ20的循环压缩测试。g)SCZs的压缩机制示意图。h)形状可定制性，i)折叠与弯曲能力，以及j)SCZ20的可裁剪性。图4. 热稳定性和隔热性能。a) TG曲线，b) DTG曲线，c) 高温下的尺寸稳定性，以及d) 气凝胶的热导率和热扩散率。e) SCZ20在不同温度下的热导率和热扩散率。f) 木材、膨胀聚苯乙烯泡沫（EPS）、CA和SCZ20在密闭环境中的热调节性能测试。g) 放置在玻璃和SCZ20上的花瓣形态变化观察。h) EPS、木材和SCZ20在170℃基板上的红外热成像图。图5. 传热模拟与隔热机理分析。a) SCZ0和SCZ20的比热容曲线。b) SCZ20在170℃基板上的COMSOL传热模拟。c) SCZ20在热循环过程中的温度变化。d) CA、SCZ0和SCZ20在极端条件和老化处理后的热导率变化。e) SCZs的隔热机理示意图。图6. 光学性能与环境响应特性。a) CA、SCZ0和SCZ20的反射与发射光谱。b) 阳光直射下的红外热成像图。木材与SCZ20的光热转换效率对比：c) 红外热成像图，d) 温度变化曲线，以及e) 不同时间点的温差数据。f) 不同天气条件下的温度变化。g) 红外隐身性能演示。h) 气凝胶的吸湿率曲线。链接：https://doi.org/10.1002/smll.202501682
