气凝胶结构超织物：多孔微球/纳米纤维构建的噪声过滤与碳捕集多功能材料
传统多孔材料往往在“颗粒易脱落”与“纤维孔径过大”之间面临两难选择。能否将颗粒的高比表面积与纤维的优异力学性能融为一体？东华大学与北京师范大学的研究团队通过一种创新的“毫秒级微相分离成型”与“双环境调控”策略，成功制备出一种由全多孔微球和纳米纤维支架组装而成的气凝胶结构超织物。该材料不仅具有超过90%的孔隙率和跨尺度孔径（2 nm – 12 μm），更展现出承受2500倍自重拉伸、在液氮温度下仍可回弹的卓越机械性能。在多功能应用上，10 mm厚度即可实现0.5的降噪系数（NRC），对PM0.3的过滤效率高达99.96%且阻力仅23.3 Pa，同时在超低胺负载量（3 wt.%）下实现了0.68 mmol/g的CO2捕获能力，为新一代环境治理用超结构材料的设计提供了全新路径。
本推文基于东华大学和北京师范大学发表于 Advanced Materials 的研究文章《Multifunctional Aerogel-Structured Metafabrics Assembled by Hierarchically Porous Microsphere/Nanofibril》，系统解读该材料的结构设计、形成机制与多功能特性。
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标题：Multifunctional Aerogel-Structured Metafabrics Assembled by Hierarchically Porous Microsphere/Nanofibril
译题：由分级多孔微球/纳米纤维组装的多功能气凝胶结构超织物
作者：Yaqian Jian, Renhui Tong, Zixin Dai, He Li, Zhe Yan, Yupeng Ai, Yu Yang, Xiaoyan Liu, Jianyong Yu, Shichao Zhang
机构：东华大学纺织科技创新中心，北京师范大学环境学院
期刊：Advanced Materials (IF=26.8)
状态：已接收，2026年4月在线发表
DOI：10.1002/adma.202521428
摘要
具有分级孔隙结构和优异力学性能的微/纳米多孔材料在阻尼、过滤分离和吸附等领域具有重要应用前景，但其制备极具挑战性。本文通过创新性地将毫秒级微相分离成型技术与多参数耦合控制策略相结合，制备了由全多孔微球和纳米纤维支架组装而成的多功能气凝胶结构超织物。通过定制泰勒锥喷射形貌并调控外部环境与溶剂之间的双向传质，成功获得了具有丰富涡旋片层结构的气凝胶状多孔微球。由微/纳米纤维网络与多孔气凝胶微球构成的分级孔隙结构，赋予了超织物超过90%的高孔隙率。得益于微/纳米纤维的柔性稳定结构，所得超织物即使在-196°C下也表现出优异的力学鲁棒性和形状记忆特性。此外，这种气凝胶结构赋予了超织物在能量耗散和过滤分离方面的显著潜力，特别是10 mm厚度下0.5的降噪系数、99.96%的高效空气过滤效率（23.3 Pa气阻）以及在超低胺负载量下0.68 mmol/g的CO2捕获能力，性能明显优于当前前沿材料。
研究背景：从“颗粒易脱粘”到“微球-纤维协同骨架”的结构跃迁
传统微/纳米多孔材料主要分为颗粒型和纤维型。颗粒型材料比表面积高、孔径可调，但颗粒间接触点有限，易发生脱落或滑移，导致结构失稳（图1a 右下图示意）。纤维型材料（如静电纺丝膜）因纤维的高长径比而具有优异的力学性能，但其网络结构通常堆积紧密，孔径偏大且可控性差。
受自然界中“小麦穗”和“蒲公英”的“刚性球体-柔性纤维铰链”结构的启发（图1a 左上灵感来源），研究团队提出了一种“气凝胶结构超织物”的新概念：将“全多孔气凝胶微球”作为功能单元，均匀分散于“微/纳米纤维支架”中，形成稳定的双网络互锁结构。图1a 的整体示意图清晰地展示了这一从仿生构思到一体化成型的全过程。
图1 | 气凝胶结构超织物的设计灵感、制备流程与微观形貌。(a) 仿生设计示意图与一步法电-气溶胶喷涂/纺丝过程；(b) 气溶胶液滴/射流的高速摄影图像；(c) 超织物立于蒲公英上的照片，展示其超轻质性；(d) 不同放大倍数下的SEM图像，显示全多孔微球与纳米纤维网络；(e) 涡旋片层孔径分布与纤维直径分布；(f) 氮气吸附-脱附等温线及DFT孔径分布，证实微孔与介孔的存在；(g) 与传统颗粒和纤维材料相比，超织物具有更低的密度和更高的孔隙率；(h) 超织物的拉伸与压缩性能展示（可承受2500倍自重，液氮中可回弹）；(i) 超织物的多重功能（降噪、过滤、CO2捕集）示意图。(Adapted from Ref. [1] with permission)
结构设计与制备机制：双环境调控下的“毫秒级”相分离成型
实现上述“全多孔微球+纳米纤维”双网络结构的关键，在于研究团队独创的“双环境调控”策略下的“毫秒级微相分离成型”技术。该技术同时实现了两个目标：① 微球内部形成气凝胶状多孔结构；② 构建蓬松的微/纳米纤维支架。
微球的“全多孔”化：湿度驱动的涡旋片层自组装当带电的气溶胶液滴在高压电场中飞行时，通过精确控制溶剂体系（氯仿/正丙醇）与环境湿度（80±2%），液滴表面会因低沸点溶剂快速挥发而形成“硬壳”。随后，水分子向内扩散，高沸点溶剂向外渗出，在Marangoni效应的驱动下，液滴内部发生相分离，最终形成由大量“涡旋片层”堆叠而成的气凝胶状多孔微球（图2a, 2d）。图2e 的三元相图从热力学角度解释了这一过程：高湿度环境促使聚合物溶液从均相区快速进入不稳定区，触发瞬时液-液相分离。
纤维支架的“蓬松化”：疏水调控下的电荷耗散与自组装传统静电纺丝在高湿度下易形成致密二维膜。本文发现，通过在聚丁二酸丁二醇酯（PBS）溶液中添加疏水剂（3 wt.%），可以抑制纤维表面电荷向高湿环境的耗散，增强射流/纤维之间的静电排斥力，从而驱动卷曲的纳米纤维自组装成蓬松的三维支架结构（图2g, 2h）。相比之下，未添加疏水剂的亲水性射流会因电荷快速耗散而沉积为直纤维构成的致密膜。
通过这种“湿度致孔”与“疏水致蓬”的协同调控，最终的超织物实现了从2 nm的微孔（微球内部）、到1.74 μm的涡旋片层孔、再到10.9 μm的纤维间大孔的全尺度分级孔隙结构（图2i），为后续的多功能应用奠定了物理基础。
图2 | 气凝胶结构超织物的微观结构调控与形成机制。(a) 不同孔隙率微球的SEM图像；(b) 表面张力与静电拉伸力竞争下的形貌演化示意图；(c) 不同聚合物浓度下的溶液性质变化；(d) 高湿度环境下微球内部多孔结构的自组装过程；(e) PBS-溶剂-水三元相图，显示湿度驱动的相分离路径；(f) 浓度与湿度对微球直径和孔隙率的综合影响；(g) 疏水剂浓度对纤维形貌的影响（0 vs. 3 wt.%）；(h) 亲水与疏水射流在电荷耗散与自组装行为上的差异示意图；(i) 超织物从纳米到微米尺度的分级孔结构示意图。(Adapted from Ref. [1] with permission)
关键性能：力学鲁棒性、形状记忆与热湿舒适性
得益于微/纳米纤维双网络的稳定物理缠结以及多孔微球的均匀分散，该气凝胶结构超织物表现出传统多孔材料难以企及的力学性能。
超强拉伸与回弹：其拉伸强度达到1 MPa，断裂伸长率高达503%，是传统多孔颗粒的15倍以上（图3d）。在60%的大应变下经历1000次循环拉伸后，仍能完全回复至原始位置（图3e）。原位SEM观察（图3f）显示，即使在200%应变下，微纤维网络虽发生动态变形，但结构完整性未遭破坏，体现了优异的抗拉伸破坏能力。 极端环境适应性：得益于PBS聚合物本身的高结晶度以及稳定的双网络结构，该超织物即使在-196°C的液氮中依然可以被压缩并迅速回弹（图1h），展现了出色的形状记忆特性，适用于极端环境。 高透气与透湿：其空气透气性达到420 mm/s，分别是传统静电纺纤维膜和实心微球超织物的4.1倍和1.6倍（图3g）。尽管材料本身具有疏水性（接触角133°），但其丰富的分级孔道仍允许水蒸气高效通过。3D光学轮廓仪测试（图3h）表明，多孔微球的引入显著增加了表面粗糙度（Ra达4.9 μm），结合其低粘附特性，实现了优异的自清洁性能（图3i）。
图3 | 气凝胶结构超织物的结构与综合性能。(a) 不同形态微球的孔径与孔隙率对比；(b) 不同超织物的孔径分布；(c) 疏水剂浓度对超织物密度和孔隙率的影响；(d) 拉伸应力-应变曲线；(e) 60%应变下的1000次循环拉伸测试；(f) 不同拉伸应变下的结构演化示意图及原位SEM图像；(g) 透气性对比；(h) 3D光学轮廓图及表面粗糙度对比；(i) 自清洁过程演示（染色液滴携带沙粒滚落）。(Adapted from Ref. [1] with permission)
多功能应用（I）：超薄结构实现低频噪声的“湍流耗散”
低频噪声（<500 Hz）因其波长长、穿透力强而难以被传统多孔材料有效吸收。该气凝胶结构超织物在仅10 mm的厚度下，在500 Hz处的吸声系数（α）达到0.36，降噪系数（NRC）高达0.5，远超传统纤维材料（α=0.17, NRC=0.35）和实心微球超织物（图4a）。
其独特的吸声机制在于：传统纤维材料主要依靠空气与孔壁的粘滞摩擦耗能，对低频声波效果不佳。而本文的超织物中，全多孔微球内部丰富的“涡旋片层”结构充当了微观湍流发生器。当声波通过时，会在这些片层间诱发强烈的“湍流耗散效应”，显著增加空气分子与孔壁的碰撞概率，从而高效地将低频声能转化为内能（图1i 左）。当微球在超织物中的体积分数约为1/3时，吸声性能最优。随着厚度增加至30 mm，250 Hz处的α可进一步提升至0.61，展现出在汽车、航空航天等紧凑空间内进行低频噪声控制的巨大潜力（图4b, 4c）。
多功能应用（II）：高效低阻过滤与低胺负载CO₂捕集
空气过滤：得益于其>90%的超高孔隙率、跨尺度孔道以及微球表面涡旋片层对边界层分离的抑制作用，该超织物在过滤PM0.5时实现了“高效”与“低阻”的兼得。在5.33 cm/s的风速下，1 mm厚的超织物对PM0.3的过滤效率高达99.96%，而气阻仅为23.3 Pa，品质因子高达0.436（图4d）。其性能优于多数现有空气过滤材料。
CO₂捕集：利用其丰富的孔道作为物理吸附位点，研究团队通过真空辅助界面功能化，将聚乙烯亚胺-乙二胺（PEI-EDA）接枝到超织物上（图4e）。在仅3 wt.%的超低胺负载量下，功能化后的超织物对CO₂的捕集能力达到0.68 mmol/g，相比原始超织物提升了17倍以上，且远优于同等胺负载量下的其他多孔吸附剂（图4f）。这证明其分级多孔结构作为载体，能显著提高胺基官能团的利用效率。
图4 | 气凝胶结构超织物的多功能应用性能。(a) 纤维、实心微球超织物与气凝胶结构超织物在500 Hz处的吸声系数与NRC对比；(b) 不同厚度超织物的吸声系数谱；(c) 本工作与文献报道其他吸声材料在500 Hz处α与NRC的对比；(d) 不同厚度超织物对PM0.3的过滤效率与压降；(e) PEI-EDA功能化超织物的元素面分布图；(f) 本工作与文献报道吸附剂在单位质量胺基负载下的CO₂捕集能力对比。(Adapted from Ref. [1] with permission)
总结与展望
本研究通过创新性地融合“毫秒级微相分离成型”与“双环境调控”策略，成功制备了一种由“全多孔气凝胶微球”和“微/纳米纤维支架”双网络组装而成的气凝胶结构超织物。该材料巧妙地解决了传统多孔材料中“颗粒易脱粘”与“纤维孔径过大”的矛盾，实现了以下突破：
结构创新：构建了从2 nm微孔到12 μm大孔的全尺度分级孔隙结构，孔隙率超过90%，并兼具优异的力学鲁棒性（承受2500倍自重拉伸、1000次循环拉伸）和极端环境形状记忆特性（-196°C可回弹）。 功能协同：微球内部的“涡旋片层”结构产生独特的湍流耗散效应，实现了10 mm超薄厚度下的高效低频降噪（NRC=0.5）；分级多孔结构同步实现了对PM0.3的高效（99.96%）低阻（23.3 Pa）过滤。 载体优势：作为功能性载体，其高比表面积和丰富孔道使得在超低胺负载量（3 wt.%）下即可实现0.68 mmol/g的CO₂捕获能力，显著提高了官能团利用效率。
该工作为设计下一代集环境治理、能源存储、催化载体和药物缓释等功能于一体的超结构材料提供了全新的思路。
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