陈武峰
Materials Today:教你如何在厨房做出漂亮的气凝胶-奇材进展
2021-5-28 10:11
阅读:921


瑞典皇家理工学院团队工作,奇材馆整理

【文章概述】

继引人瞩目的天问一号火星探测器装载能对抗冰火两重天的气凝胶高科技材料后,气凝胶的热潮一波接一波。气凝胶是世界上最轻的固体之一,仅为空气密度的六分之一,也被叫做冻住的烟。由于其具有高孔隙率、隔热保温能力和超高承受能力,气凝胶在能源、服装、航空航天和国防军工领域等诸多领域有广泛的应用前景。

通常情况下,气凝胶的制备过程分为两步:第一步,先制备果冻状的水凝胶,第二步,通过冷冻干燥或超临界干燥等其它技术手段干燥得到气凝胶。这貌似看起来挺简单的,但事实上很多干燥处理技术往往能耗很高或耗时较长,同时需要特殊的实验设备来完成,导致气凝胶的制造成本较高,阻碍了大规模化应用的道路。因此,亟需一种新的绿色环保、低成本且高效的方法以大规模制备气凝胶材料的方法。今天奇材馆小编带您去观摩这篇可以在厨房就能做出漂亮气凝胶的新闻吧!

【成果简介】

近日,瑞典皇家理工学院Jowan Rostami等人开发出一种新颖的、低成本且可持续的技术路线,只需要借助家庭常用的厨房冰箱冷冻层,通过丙酮(和酸)溶剂交换和空气干燥等简单实验步骤,即可轻松制备出CNF气凝胶。这种方式避免常规冷冻干燥的高耗能及超临界干燥等要求复杂的方法。通过该技术路线制备的CNF气凝胶不仅表现出较高的比压缩模量(26.8±6.1 kPa m3 kg-1),良好的湿回弹性(80-90%),有利的比表面积(90 m2 g-1),还具有可调的密度(2-20 kg m-3)。该材料符合奇材馆理念,后续开发值得期待!

【研究亮点】

1、以碳酸钙的结合和溶解特性出发,使用简便的冰模板、溶剂交换和空气干燥等简单操作工艺即可得到CNF气凝胶。

2、在实验中向丙酮中加入少许的酸,在溶解碳酸钙释放气体增加材料的孔隙率的同时,也释放出与藻酸盐和CNF交联的钙离子,从而赋予气凝胶优异的湿稳定性和回弹性。最后,只需要在空气中干燥,便可以获得CNF气凝胶。

【图文导图】

1.jpg

1气凝胶的制备和结构表征

a)水凝胶形成及进行冰模板化的示意图。

b)所获得的经环境干燥的气凝胶的照片。

c-e)多孔结构、层状孔壁和随机平面内的原纤维网络的电子显微照片。

f-g)通过将溶剂交换成丙酮(其中固态CaCO3颗粒嵌入CNF-藻酸盐基质中)或丙酮(AG)中的10%(w / w)乙酸获得气凝胶。

2.jpg

2 CNF气凝胶的物理化学性质表征

aAGRef AGXRD表征图。

bAG的压缩湿循环图。

cAG与文献中的轻质纳米纤维素基材料对比阿什比图。

(d) 湿AG95 kPa93℃下被压缩的能力以及重新湿润以恢复其原始尺寸的照片。

 

 3.jpg

3. CNF/MOFs复合气凝胶的制备和表征

(a)   AGMOFs功能化。显示含蛋白MOFs (pZIF-8)的形成示意图,含气凝胶或不含气凝胶,以及制备材料的各自电子显微图,

(b) MOF功能化气凝胶及其粉末的XRD谱图

(c) MOFs蛋白功能化AG气凝胶(pZIF-8@AG)AG的气吸附等温线。

 

4.jpg

4具有可调生物功能的仿生MOF功能化的AG

a-b)粉末(fpZIF-8)和杂交AGfpZIF-8 @ AG)的MOF的荧光标记BSAFBSA)的共聚焦图像。

 c-d)在柠檬酸盐缓冲液(0.1 MpH 5.4)和磷酸盐缓冲液(PBS)缓冲液(0.1 MpH 7.4)中每克包封的MOF释放FBSA,插图(d)(从左至右)150小时后在去离子(DI)水中的AGpH 7.4pH 5.4fpZIF-8 @ AG中的照片。

e)在不同时间在相应pH中包含fpZIF-8 @ AG的照片。

f)使用生物素化BSAbpZIF-8 @ AG)进行比色检测的杂交AG上的蛋白结合测定的示意图,

 gbpZIF-8 @ AGpZIF-8 @ AGZIF-8 @ AGAG3,30,5,50-四甲基联苯胺(TMB)中浸泡后在t = 0t = 30分钟时被辣根过氧化物酶(HRP)酶氧化成蓝色产物的图像。

【奇材馆点评】

本文提出了一种新型、可扩展、高效和可持续的制备纤维素纳米纤维气凝胶的方法,该方法通过简易的冰模板、溶剂交换和空气干燥过程,可以取代现有的低效的干燥过程。通过厨房冰箱制备的气凝胶具有较高的压缩模量,湿稳定性和形状恢复,良好的比表面积和可调密度。通过与蛋白质共同组装金属有机框架(MOFs) 所得到的杂交气凝胶的表面积增加了9倍,气凝胶通过在水溶液中,为原位生长金属有机框架(MOFs)提供了理想的纳米纤维衬底,并保持了湿稳定性和额外的蛋白质生物功能。该材料是一种新型3D生物分析平台的潜力,期待在多功能、轻质、响应性材料一系列应用中应用。

【论文信息】

Hierarchical   build-up of bio-based nanofibrous materials with tunable metal–organic   framework biofunctionality

Materials   Today:(IF=22.87

Pub   Date 2021.05.19

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.013

Jowan Rostami 1,,   Korneliya Gordeyeva 2, Tobias Benselfelt 1, Ekeram Lahchaichi 1,Stephen A.   Hall 3, Anastasia V. Riazanova 1,4, Per A. Larsson 1, Goksu Cinar Ciftci 1,,Lars   Wågberg 1,4,

1   KTH Royal Institute of Technology, Department of Fiber and Polymer   Technology, Stockholm, Sweden

2   KTH Royal Institute of Technology, Department of Engineering Mechanics,   Stockholm, Sweden

3   Lund University, Division of Solid Mechanics, Lund, Sweden

4   KTH Royal Institute of Technology, Department of Fiber and Polymer   Technology, Wallenberg Wood Science Centre (WWSC), Stockholm, Sweden

 


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