研究成果：木材中提取隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠

　　木材作為用途廣泛的材料和豐富的資源，具有低密度、低導熱、良好的機械性能和可持續性等特性，已被使用了數千年。近年來，基于對木結構的認識，各種具有獨特物理性能和廣泛應用的仿木材料也被開發出來，其中，具有優良保溫性能的氣凝膠是重要的研究課題之一。基于塑料和樹脂的仿木氣凝膠受到生物降解性差的限制，導致廢物的積累并帶來環境問題。而基于現有的納米結構基元的仿木氣凝膠則受到其可持續性不足和成本高的限制。因此，為解決目前材料的不可持續性問題，開發低成本、低能耗、環保的新型構筑基元將對仿木氣凝膠的發展起到重要作用。

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授俞書宏團隊報道了采用自下而上的策略，以天然生物質和天然礦物為原料，制備出具有優良隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠。相關研究成果以Anall-natural wood-inspired aerogel為題，發表在《德國應用化學》上。

　　研究人員運用巧妙的表面化學調控方法，實現了在溫和條件下活化微米尺度的木屑顆粒表面，從而暴露出纖維素納米纖維(圖1a)。這些顆粒表面的納米纖維顯著增強了顆粒之間的相互作用，結合單向冷凍技術構建了強韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類似的取向通道結構(圖1b-g)，同時，這種仿木結構可以降低氣凝膠的熱導率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低徑向熱導率，優于現有纖維素基氣凝膠材料和各類商用海綿(圖2a-c)。此外，加入天然粘土納米片使得這種氣凝膠的耐火性能有了較大改善，可承受1300℃高溫的火焰至少20分鐘而不被燒透(圖2d-h)。

　　這種全天然仿木氣凝膠的隔熱和防火性能均優于天然巴沙木和大多數商業海綿，有望成為現有商業隔熱材料的理想替代品。此外，全天然仿木氣凝膠的天然的原料來源和低能耗低排放的制備工藝，使其具有良好的生物降解性和可持續性，可以減少隔熱材料在生產、使用和廢棄的過程中對環境的負面影響。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、中國高校協同創新計劃、安徽省科技重大專項、中央高校基本科研業務費專項資金和安徽省重點研究與開發計劃項目等的支持。

　　圖1.全天然氣凝膠的制備與結構。(a)木屑顆粒表面納米化和仿木結構構造過程示意圖;(b-d)天然木材及其取向通道結構;(e-g)全天然海綿及其取向通道結構。

　　圖2.全天然氣凝膠的隔熱和防火性能。(a)全天然氣凝膠的隔熱性能與所報道的纖維素基和木基氣凝膠的對比;(b)Ashby圖展示了全天然氣凝膠的隔熱性能與各類商用海綿的對比;(c)從熱輻射、熱對流和熱傳導三種傳熱形式解釋全天然氣凝膠優異隔熱性能的機理;(d-g)經過火焰灼燒的仿木氣凝膠不同部位微觀結構;(h)高溫碳化后氣凝膠徑向與軸向熱導率變化。