3D 打印膠體氣凝膠 —— 材料世界的 “變形金剛”，從結(jié)構(gòu)到功能的神奇演變

來源：EFL生物3D打印與生物制造

氣凝膠作為一類在多學科領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用的多孔納米材料，因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前對于3D打印氣凝膠的系統(tǒng)性綜述尚處于起步階段，尤其是在區(qū)分膠體氣凝膠和分子氣凝膠方面存在不足，且缺乏從膠體科學角度對3D打印膠體氣凝膠進行的深入探討。  

來自中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學同團隊，綜述了3D打印膠體氣凝膠這一研究領(lǐng)域的進展。團隊從膠體科學的視角出發(fā)，深入探討了3D打印膠體氣凝膠的發(fā)展歷程、關(guān)鍵制備步驟、打印策略、分類、限域功能化、獨特性能、新興應(yīng)用，以及當前面臨的挑戰(zhàn)和未來機遇。特別對打印過程中的熱力學/動力學、溶膠/溶膠 - 凝膠/凝膠打印策略和限域功能化進行了詳細闡述。團隊提出通過開發(fā)新的打印技術(shù)、優(yōu)化墨水配方、改進打印設(shè)備等措施，有望解決當前3D打印膠體氣凝膠面臨的如打印速度慢、多組分打印困難等問題，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向。相關(guān)工作以“3D printed colloidal aerogels: Principle, process, performance, and perspective”為題發(fā)表在《Progress in Materials Science》上。 中國科學院蘇州納米所程青青副研究員為論文第一作者，張學同研究員為論文通訊作者。

1. 3D打印膠體氣凝膠的制備     
- 制備流程：通過實驗研究和流程分析，明確3D打印膠體氣凝膠的制備包含墨水設(shè)計與制備、打印過程、溶劑交換和干燥以及后處理等關(guān)鍵步驟。墨水需考慮納米構(gòu)建塊種類等因素；打印有噴墨、擠出、光固化等方式；干燥方法影響氣凝膠結(jié)構(gòu)；后處理可優(yōu)化氣凝膠性能。

圖 1. 分子氣凝膠和膠體氣凝膠的制備過程差異

圖2 3D打印膠體氣凝膠的關(guān)鍵制備步驟示意圖

- 打印策略：采用分類討論和實例分析方法，根據(jù)溶膠 - 凝膠轉(zhuǎn)變時間，將打印策略分為溶膠打印、溶膠 - 凝膠打印和凝膠打印。溶膠打印在打印后發(fā)生轉(zhuǎn)變，適用于多種材料；溶膠 - 凝膠打印在打印過程中轉(zhuǎn)變，分物理和化學兩種方式，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)打�。荒�膠打印在打印前完成轉(zhuǎn)變，能利用現(xiàn)有凝膠體系。

圖3 3D打印膠體氣凝膠的三種特定策略示意圖

圖4 溶膠打印

圖5 物理溶膠 - 凝膠打印

圖6 化學溶膠 - 凝膠打印

圖7 凝膠打印”中展示了不同打印策略的具體過程。

2. 3D打印膠體氣凝膠的性能研究     
- 機械性能：以Kevlar、石墨烯/CNT等膠體氣凝膠為研究對象，通過力學測試和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)可通過設(shè)計氣凝膠的層次結(jié)構(gòu)調(diào)控其機械性能。如Kevlar膠體氣凝膠可獲得負泊松比，石墨烯/CNT膠體氣凝膠能實現(xiàn)高拉伸比和高疲勞抗性。

圖8 3D打印膠體氣凝膠的機械性能”展示了相關(guān)氣凝膠的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線、拉伸性能等數(shù)據(jù)。     

- 熱性能：運用熱性能測試和結(jié)構(gòu)調(diào)控實驗，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，熱導率受結(jié)構(gòu)影響，可通過控制打印參數(shù)調(diào)節(jié)熱傳導。如3D打印的聚酰亞胺 - 二氧化硅膠體氣凝膠屏蔽和Kevlar膠體氣凝膠能有效阻擋熱量傳遞。

圖9 3D打印膠體氣凝膠的熱性能     

- 吸附性能：利用吸附實驗和吸附模型分析，研究3D打印膠體氣凝膠對多種物質(zhì)的吸附能力和吸附機制。結(jié)果表明其對染料、有機污染物等有良好吸附能力，如3D打印的石墨烯微球?qū)�亞甲基藍的吸附性能優(yōu)異。

圖10 3D打印膠體氣凝膠的吸附性能   

- 光學性能：通過光學測試和結(jié)構(gòu)表征，研究光與氣凝膠的相互作用。發(fā)現(xiàn)氣凝膠的光學性能與納米構(gòu)建塊大小、結(jié)構(gòu)有關(guān)，可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)控光的吸收、散射和透射。如3D打印的Au - 納米棒TiO2膠體氣凝膠在可見 - 近紅外范圍內(nèi)有強消光特性。

圖11 3D打印TiO2納米顆粒基膠體氣凝膠的光學性能

- 電磁屏蔽性能：分析3D打印膠體氣凝膠對電磁波的反射、吸收和多次內(nèi)部反射損耗機制，研究發(fā)現(xiàn)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇可提高電磁屏蔽效率。如3D打印的過渡金屬碳化物/碳納米管/聚酰亞胺（GCMCP）膠體氣凝膠具有良好的電磁屏蔽性能。

圖12 3D打印膠體氣凝膠的電磁干擾屏蔽性能

- 電化學性能：研究3D打印膠體氣凝膠在電池、超級電容器等電化學器件中的應(yīng)用，如離子傳輸、電容特性等。發(fā)現(xiàn)其在電化學器件中具有優(yōu)勢，如3D打印的石墨烯/MWCNT電極能加速離子/電荷傳輸。

圖13 3D打印膠體氣凝膠的電化學性能

3. 3D打印膠體氣凝膠的應(yīng)用探索   
- 能源存儲：通過實例展示和性能分析，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠可用于組裝多種電化學器件，如鈉金屬電池、鋅離子電池、超級電容器和摩擦納米發(fā)電機等，能提高能源存儲和轉(zhuǎn)換效率。

圖14 3D打印膠體氣凝膠用于能源存儲系統(tǒng)

- 熱管理：以3D打印的二氧化硅基和Kevlar基膠體氣凝膠為例，研究其在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用，如作為隔熱材料和用于紅外隱身。結(jié)果表明它們能有效阻擋熱量傳遞和控制紅外輻射。

圖15 3D打印膠體氣凝膠用于熱管理   

- 催化：通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠與功能材料結(jié)合可實現(xiàn)對有機化合物的光熱催化降解、二氧化碳轉(zhuǎn)化等。如3D打印的二氧化硅基雙層膠體混合氣凝膠可用于甲苯的光熱催化降解。

圖16 3D打印膠體氣凝膠用于催化   

- 太陽能蒸汽蒸發(fā)：研究3D打印膠體氣凝膠在太陽能蒸汽蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其多孔結(jié)構(gòu)和光熱轉(zhuǎn)換性能可實現(xiàn)高效水蒸發(fā)和海水淡化。如3D打印的纖維素/藻酸鹽/碳納米粉末氣凝膠和聚酰亞胺/MXene膠體氣凝膠陣列在太陽能蒸發(fā)器中表現(xiàn)出色。

圖17 3D打印膠體氣凝膠用于太陽能蒸汽蒸發(fā)

- 傳感器和執(zhí)行器：通過制備不同結(jié)構(gòu)的氣凝膠并測試其對外部刺激的響應(yīng)性能，研究發(fā)現(xiàn)3D打印膠體氣凝膠在傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域有應(yīng)用潛力，如用于氣體傳感、應(yīng)變傳感等。

圖18 3D打印膠體氣凝膠用于傳感器和執(zhí)行器

- 生物工程：以3D打印的Kevlar/PVA膠體氣凝膠和絲素蛋白膠體氣凝膠為例，通過體內(nèi)動物實驗和細胞培養(yǎng)實驗，研究發(fā)現(xiàn)它們在生物工程領(lǐng)域有應(yīng)用前景，如高效止血和促進骨組織再生。

圖19 3D打印膠體氣凝膠用于生物工程

4. 3D打印膠體氣凝膠的挑戰(zhàn)與機遇
分析3D打印膠體氣凝膠當前面臨的挑戰(zhàn)，包括超快速打印、多組分打印、全連續(xù)打印、面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機器學習輔助設(shè)計等方面。通過對現(xiàn)有技術(shù)和應(yīng)用需求的研究，提出相應(yīng)的解決方向和未來發(fā)展機遇。

圖20 當前挑戰(zhàn)和未來機遇對3D打印膠體氣凝膠，涉及超快速打印、多組分打印、全連續(xù)打印、面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機器學習輔助設(shè)計

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101456