港大机械工程团队研发新型超强韧气凝胶材料

林原博士（左）和徐立之博士

(原新闻稿已于9月28日发布)

新型气凝胶具有轻质、半透明和高承载能力等理想特性

气凝胶是一种具备微观多孔结构的轻质材料，其在热防护、能源存储、航空航天设备、柔性电子等领域有着重要的潜在应用价值。然而，传统陶瓷的气凝胶材料的力学脆性，限制了承受载荷变形情况下的使用。新近研发的高分子气凝胶因为受限于可用的材料成分，只能在牺牲轻质和多孔性的前提下实现较高的力学强度。

复合纳米纤维气凝胶的制造过程

由香港大学（港大）机械工程系助理教授徐立之博士及副教授林原博士领导的研究团队，利用一种常用于制造防弹衣和头盔的合成纤维，研发出一种新型超强韧的气凝胶材料，其力学性能明显优于其他同类的气凝胶。

扫描电子显微镜所显示气凝胶的微观结构

该新型气凝胶材料制备方法简易，具潜力开发应用于可穿戴器件、热学隐身、滤膜结构以及其他多种新型功能器件中。研究结果已在《自然-通讯》刊登，文章题为 ”Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nanofibers”。

与其他聚合物气凝胶相比，团队研发的复合纳米纤维气凝胶具有高韧性和高拉伸模量

研究团队利用自行组装的芳纶纳米纤维网络，构建出强韧多孔的新型高分子气凝胶。对位芳纶材料具有优异的力学性能，常用于防弹衣、头盔等高强结构中。与常见的宏观尺寸芳纶纤维不同，研究团队利用溶液加工方法制备芳纶纳米纤维，再利用纳米纤维和聚乙烯醇之间的相互作用，构建具备高连接度和高节点强度的三维纤维网络。

「这就像是微观尺度上的桁架网络，我们想办法把这些桁架牢固地焊接到了一起，从而产生一种非常强韧的材料，它的力学性能明显优于其他类似的气凝胶。」徐立之博士解释说。

林原博士负责领导相关的理论模拟工作，阐明了气凝胶的强韧化机理，他说：「我们在计算机中构建了一系列的三维纤维网络，再现了纳米纤维气凝胶的重要结构特征。纤维网络节点的力学行为对于宏观力学特性非常重要。我们的模拟研究表明，即使在相同的固含量下，不同的节点连接度和节点结合能造成宏观机械强度上几个数量级的差别。」

「这些研究结果非常令人振奋。我们不仅开发出了一种力学强韧的新型气凝胶材料，同时也探明了纳米纤维网络普适的强韧化机理，这对于其他类似材料的研发也具有重要的指导意义。」徐博士补充说。