可控组装亚1纳米纳米线以构建气凝胶

为什么轻质固体很重要

气凝胶有时被称为“凝固的烟雾”，因为它们既轻盈又半透明，同时能够高效地隔热、过滤或发光。随着工程师将这些材料应用到从节能窗户到传感器和柔性电子等领域，他们面临一个瓶颈：传统气凝胶内部的微小构建单元无法再带来显著的性能飞跃。本文提出了一种用超薄、亚纳米级纳米线构建气凝胶的新方法，制备出比许多现有设计更轻、更具孔隙性且机械更坚韧的固体。

用尽可能最细的线材构建

传统气凝胶依赖直径为几纳米到数十纳米的纳米颗粒、纳米纤维或薄片。作者采用的是“亚1纳米纳米线”——直径接近晶体单胞尺寸并与大型聚合物分子相当的极细纤维。这类线状构件兼具巨大的比表面积、异常的柔韧性和高表面能。早期将它们制成块体材料的尝试大多只得到纤维或薄膜，而非三维整体块体。之前的一种冷冻铸造方法确实能生成气凝胶，但冰晶生长会将纳米线挤压在一起，塌缩孔隙并浪费大量表面积。挑战在于将这些脆弱、如发丝般细的成分组装成坚固且开放的网络而不将其压坏。

让纳米线在液体中“相处融洽”

关键进展是精确控制纳米线彼此之间以及与周围液体的相互作用。研究团队研究了以油酸分子包覆的钆羟氧化物纳米线。在非极性溶剂中，这些包覆的纳米线能很好分散，形成清澈的悬浮液，但在醇类等极性溶剂中会迅速絮凝并沉淀。研究者通过配体置换，将原有包覆替换为以羟基结尾的新分子，使总体有机含量相似但改变了线表面对溶剂的“感受”。光谱和热学测量证实原配体几乎被完全置换，而电子显微镜显示在极性介质中纳米线由整齐的平行束状变为更交织的排列——这是它们相互吸引和排斥被重新调控的标志。

从流动液体到固体凝胶

借助新的表面化学，纳米线可在多种醇类中分散，其中溶剂的极性和分支程度微妙地调节了纳米线的相互吸引与缠结强度。在不同形式的丁醇中，随着溶剂分子分支增多，束缚与交叉程度也增加，形成更粗、更坚固的凝胶骨架。加入柠檬酸会触发三维渗流网络的形成：酸分子和质子充当桥梁和电驱动因素，将纳米线拉拢在一起。分子动力学模拟可视化了这一过程，显示随着带电物种的相互作用能降低，纳米线逐渐靠拢。实验表明，部分凝胶会随着网络增厚而随时间变得更强，而另一些在细丝无法承受持续重组时最终会变弱并再次流动，这阐明了早期聚集差异如何决定凝胶的力学命运。

在不塌陷的情况下干燥并添加新手段

一旦形成稳定的湿凝胶，内部液体通过超临界二氧化碳干燥去除，这是一种温和的工艺，可避免通常会压毁如此脆弱框架的表面张力。得到的是由相互交织的纳米线构成的半透明气凝胶，线径仅为几纳米。这些结构达到约505平方米每克的极高比表面积——远高于此前的亚纳米线气凝胶，甚至超过许多由更粗纳米纤维构成的气凝胶——同时保持约0.024克每立方厘米的超低密度。由于纤维远小于可见光波长且排列均匀，相关的铽基气凝胶在紫外照射下可在整个体积内明亮发光。该方法同样适用于多种稀土纳米线以及可发出可调颜色的混合物，凸显其通用性。

让羽毛般轻的固体更坚韧且具疏水性

初制时，这种蛛丝状骨架非常纤细，易在载荷下变形。为在不牺牲轻质特性的前提下增强其韧性，作者通过化学气相沉积在纳米线骨架上包覆了一层带甲基的二氧化硅薄层。这一薄而刚性的壳层大幅提升了抗压强度和弹性：气凝胶样品可以压缩到原高的一半并在50个循环后几乎完全恢复。同时，甲基修饰的二氧化硅使表面高度疏水，使材料能浮在水面并抵抗湿气损伤。显微观察显示，该涂层保留了整体孔结构并保持密度低。

对未来材料的意义

通过掌握如何调节亚纳米线的表面化学、引导它们在不同溶剂中的行为并温和干燥其凝胶，研究者创造出了一类超轻、高比表面积且具有出色力学韧性与耐水性的气凝胶。简言之，他们证明了可以利用最小的线状构建单元，使其自发形成稳定的三维网络，并将该网络锁定为主要为空间的固体。这一策略扩展了设计下一代气凝胶的工具箱，适用于隔热、光学、传感与其他需要同时具备轻、孔隙和坚固特性的技术领域。

引用: Du, Y., Xiu, Y., Yang, X. et al. Controllable assembly of sub-1 nm nanowires for the construction of aerogels. Nat Commun 17, 4053 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70713-8

关键词: 气凝胶, 纳米线, 多孔材料, 表面化学, 轻质材料