氣凝膠（Aerogel）是一種固體物質形態(tài)，世界上密度最小的固體。自從1931年首次提出氣凝膠概念以來，這類材料憑借其超高表面積（＞100 m2 g-1）、超低熱導率（低至12 Mw M-1 K-1）和超低體積密度（1.2×10-4 g cm-3）等特性而受到廣泛關注。
有趣的是，其英文名aerogel為組合詞，aero是形容詞，表示“飛行的”，gel意為凝膠。字面意思是“可以飛行的凝膠”。因此任何物質的gel只要可以經干燥除去內部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。
圖中的氣凝膠看似“弱不禁風”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力，在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。氣凝膠在熱學、光學、電學、力學和聲學等領域顯示許多奇特的性能，可作為保溫隔熱材料、ICF以及X光激光靶、催化劑、吸附劑、各類電子器件等等具有優(yōu)秀性能材料。
其中，由可生物降解材料（尤其是天然生物材料）制備的氣凝膠由于具備可持續(xù)性、無毒性、易修飾性、組織再生等優(yōu)勢，有望在食品、空氣/水凈化和生物材料中得到應用。然而，該類由天然生物材料制備的氣凝膠機械強度相對較低，而且該過程難免涉及到有機溶劑和有毒化學品的使用，導致其制備和應用均受到很大的限制。
蘇州大學王曉沁教授和鄭兆柱等人和美國塔夫茨大學David Lee Kaplan合作通過在結點處對絲納米纖維3D網絡的溶劑焊接法，將絲狀結構從無規(guī)卷曲轉變?yōu)榉€(wěn)定的β片結構，制備得到了一種不溶于水的輕質絲蛋白納米纖維氣凝膠（SNFA）。該SNFA具有良好的機械性能、較低的密度（3.5 mg /cm3）、較高的疏水性（140.9°）和多孔的表面形態(tài)，從而可以高效且選擇性地吸附顆粒物和油脂。
相比常用的無機氣凝膠，該SNFA具有生物相容性、易修飾、環(huán)境友好且成本低廉等優(yōu)點，因此在空氣和水凈化、生物傳感器、藥物傳遞和組織工程等方面具有潛在的應用價值。近日，該研究以題為“Low-Density Silk Nanofibrous Aerogels: Fabrication and Applications in Air Filtration and Oil/Water Purification”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。
【SNFA的制備】
下圖1介紹了SNFA制備的三個關鍵步驟：成型、凍干和苯乙醇（PEA）焊接。作者首先通過電紡法制備了直徑約300-400 nm的絲納米纖維，并進行退火處理，然后將纖維懸浮液進行冷凍干燥。最后，作者將其放入密封容器中于45°C下PEA蒸汽處理1h。芳族醇，尤其是PEA，能支持牢固的溶劑焊接和絲的結構轉化。與溶劑注入法相比，PEA蒸汽處理是一種更好的方法，可以保留SNFA的體積、密度和機械強度。PEA蒸氣能與以無規(guī)卷曲結構為主的納米纖維相互作用，從而在SNF的結點處焊接，并將絲狀結構轉變?yōu)榉€(wěn)定的β片結構。與通過化學反應交聯的絲蛋白氣凝膠相比，該過程形成的氣凝膠具有更高的機械強度和更低的密度。
【SNFA的形態(tài)表征】
通過PEA蒸汽處理的SNFA上存在納米孔，這有利于獲得低密度的SNFA。當SNF濃度降低到0.03 wt％時，獲得的SNFA的密度僅為3.5 mg/cm3（圖2a），該密度低于以前報道的其他生物聚合物氣凝膠以及有機-無機混合氣凝膠。此外，該SNFA（0.03 wt％）具有高疏水性（圖2b），水接觸角為126.7±0.9°-140.9±0.9°。水滴在落下接觸SNFAs后能迅速彈起，且水滴幾乎沒有變形，表明氣凝膠表面的水附著力極低。這是由于高的β片含量以及表面廣泛分布的納米孔顯著提升了其疏水性。此外，SNFA中的納米纖維具有單一取向（圖2d），從而提供了出色的機械性能。所有SNFA只有在70％的壓縮下才會出現塑性變形，而在50％壓縮下幾乎能完全恢復，且能保留其原始大小和形態(tài)，這證實了該SNFA具有出色的機械強度。
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【SNFA的空氣/水凈化應用】
SNFA具備高疏水性、微/納孔結構和良好的機械性能，是潛在的用于水和空氣凈化的過濾材料。如圖3a所示，當SNFA浸入水/大豆油混合液中時，油能迅速被吸收到SNFA中。當取出浸油的SNFA時，剩余水相體積與原始體積相同，這證實了SNFA對油的高選擇性使其可用于油水分離。此外，作者設計了空氣凈化實驗來研究SNFA的過濾效率。結果表明大多數PM2.5能被SNFA過濾器吸附（圖3e），并附著在其多孔結構中。與醫(yī)用外科口罩、KN95以及3 M口罩相比，SNFA的過濾效率分別是它們的3.19±0.56、2.36±0.61和1.67±0.49倍（圖3g，h）。
【總結】
作者通過使用PEA溶劑焊接電紡絲納米纖維法，制備了一種輕質且不溶于水的SNFA。相交的SNF結構的牢固焊接、β片結構的形成以及SNF的單一取向賦予了所制造SNFA的出色性能，包括低密度、相對較高的抗壓強度和高疏水性。該SNFA在空氣凈化領域可用于PM 2.5吸收，在水處理領域可用于殘留油的吸附和分離，展現出了廣闊的應用前景。
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