在納米纖維微觀世界“精雕細(xì)琢”：東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)20余載鑄就國(guó)際領(lǐng)先成孔策略｜2024上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)

在科技飛速發(fā)展的今天，材料科學(xué)作為推動(dòng)各領(lǐng)域進(jìn)步的基石，正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的創(chuàng)新成果。納米纖維，這一先進(jìn)低維材料，正以其獨(dú)特的魅力和巨大的應(yīng)用潛力，成為國(guó)家重大需求牽引下多孔材料的重要發(fā)展方向之一。由其構(gòu)成的多孔材料，擁有豐富的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，在高效吸附、高精過濾、高溫隔熱、寬頻降噪等尖端領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的應(yīng)用前景。

納米纖維多孔材料：研究困境與突破曙光

納米纖維多孔材料的研究在世界范圍內(nèi)已持續(xù)近三十年。然而，這一領(lǐng)域的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，孔結(jié)構(gòu)精細(xì)成型難度大、成孔機(jī)理不明確等關(guān)鍵難題，如同堅(jiān)固的壁壘，阻礙著材料充分發(fā)揮毛細(xì)芯吸、尺寸篩分、能量耗散等功能優(yōu)勢(shì)。如何高效制備納米纖維多孔材料，成為了擺在科研人員面前的一道亟待攻克的難題。

東華大學(xué)教授丁彬領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，猶如一群勇敢的開拓者，在納米纖維多孔材料這片充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域深耕了20多年。他們憑借著堅(jiān)定的信念和不懈的努力，在納米纖維材料的成孔方法上實(shí)現(xiàn)了原始創(chuàng)新，為解決這一國(guó)際性難題帶來了新的希望。

創(chuàng)新成孔策略：開啟納米纖維多孔材料新紀(jì)元

丁彬教授從事納米纖維多孔材料研究已有25年，他形象地介紹道：“納米纖維是像頭發(fā)絲一樣的纖維材料，但它的直徑只有頭發(fā)的百分之一乃至千分之一，肉眼根本看不見。用這種納米尺度的纖維材料構(gòu)建多維度、多尺度的孔結(jié)構(gòu)，可控性差、難度極大?！?/span>

面對(duì)如此巨大的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)沒有退縮，而是創(chuàng)新性提出了納米纖維成孔新策略。通過這一策略，他們成功制備出了具有多維度、多尺度孔結(jié)構(gòu)的高分子、陶瓷、碳納米纖維多孔材料。這些材料猶如科技領(lǐng)域的璀璨明珠，各自散發(fā)著獨(dú)特的光芒。

通體多孔的高強(qiáng)單纖維，具備出色的強(qiáng)度和獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)，為材料性能的提升開辟了新的途徑；超小孔徑的韌性網(wǎng)狀材料，以其精細(xì)的孔徑和良好的韌性，在特定領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；超高孔隙率的彈性纖維氣凝膠，則憑借其超高的孔隙率和優(yōu)異的彈性，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。這些材料可廣泛應(yīng)用于尖端武器高溫隔熱、電力裝備吸音降噪、應(yīng)急救援人員防護(hù)、氫能電池氣液分離等領(lǐng)域，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。丁教授自豪地表示：“目前，我們?cè)诩{米纖維多孔材料的研究上處于國(guó)際領(lǐng)先地位?！?/span>

“白活性炭”：吸附凈化領(lǐng)域的革新力量

在單纖維中構(gòu)建可控的通孔結(jié)構(gòu)，是提升材料性能的關(guān)鍵一步。它可以大幅提升材料的比表面積，并顯著增強(qiáng)材料的毛細(xì)芯吸作用。然而，現(xiàn)有多孔單纖維通常采用致孔劑后處理的多步成孔方法獲得，這種方法存在孔道連通性差、孔尺寸難調(diào)控等問題。

丁彬教授的研究團(tuán)隊(duì)通過在直徑僅為數(shù)百納米的單纖維內(nèi)精細(xì)“鑿孔”，首次得到了像海綿一樣的通體多孔一維納米纖維，種類包括聚合物、陶瓷和碳材料。其中，制備的多孔陶瓷納米纖維尤為引人注目。它可以耐1300℃的高溫，且比表面積（＞1000m2/g）與活性炭相當(dāng)，被團(tuán)隊(duì)親切地稱為“白活性炭”。

這種“白活性炭”具有耐高溫、表面積大的顯著優(yōu)點(diǎn)，在化工廢氣、工業(yè)廢水的吸附凈化方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。它能夠有效吸附有機(jī)污染物，并通過高溫煅燒去除有機(jī)污染物，理論上可以實(shí)現(xiàn)無限次回用。這一特性解決了當(dāng)前活性炭無法再生、只能填埋處理的問題，避免了土地浪費(fèi)和環(huán)境污染，具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

“納米蛛網(wǎng)”：高性能過濾分離的先鋒材料

靜電紡纖維的平均直徑多在100nm以上，由其堆積形成的材料孔徑通常在1 - 3μm。如何進(jìn)一步降低纖維直徑以減小材料的孔徑，成為提升材料氣/固、氣/液篩分傳質(zhì)性能的關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)受到電影《蜘蛛俠》的啟發(fā)，首次利用微小液滴直接“甩出”一張細(xì)小的網(wǎng)，創(chuàng)制出具有蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二維超小網(wǎng)孔材料——“納米蛛網(wǎng)”。這是目前已知最細(xì)小的網(wǎng)狀材料，網(wǎng)孔直徑只有100 - 200nm，是蜘蛛網(wǎng)的千分之一。

“納米蛛網(wǎng)”對(duì)于細(xì)菌、病毒、微小顆粒物、微液滴等具有極高的過濾精度，是一種全新的高性能過濾分離材料。在半導(dǎo)體工業(yè)、現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的高精空氣過濾，石油、化工產(chǎn)品的高效油水分離等領(lǐng)域，它都極具應(yīng)用潛力，有望為這些行業(yè)的發(fā)展帶來新的變革。

“凍豆腐”般纖維氣凝膠：下一代隔熱材料的理想之選

丁彬教授介紹，團(tuán)隊(duì)通過控制納米冰晶的有序生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)納米纖維排列組裝，并去除納米冰晶使纖維間成孔，得到了像凍豆腐一樣、具有超高孔隙率的納米纖維氣凝膠，種類包括聚合物、陶瓷和碳材料。

其中，制備的陶瓷納米纖維氣凝膠更是創(chuàng)造了奇跡。它不僅打破了世界最輕固體材料的記錄，在1300℃的高溫下還展現(xiàn)出可拉伸/壓縮的“形狀記憶”特性，顛覆了傳統(tǒng)陶瓷材料又脆又硬的形象。

這一創(chuàng)新成果引起了英國(guó)航天局總工程師的高度關(guān)注和評(píng)價(jià)，他認(rèn)為陶瓷納米纖維氣凝膠是下一代隔熱材料的最佳選擇。在未來的航天器中，它可以在保證輕質(zhì)高效隔熱的同時(shí)，有效抵御劇烈的氣動(dòng)熱沖擊，為航天事業(yè)的發(fā)展提供全新的顛覆性解決方案。此外，陶瓷納米纖維氣凝膠還可廣泛應(yīng)用于新能源汽車的電池隔熱墊、防火隔熱毯，消防戰(zhàn)斗服的高溫隔熱層，大飛機(jī)、高層建筑、冷庫(kù)的防火保溫層，潛艇、高鐵的阻燃降噪層等領(lǐng)域，為保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和改善生活環(huán)境發(fā)揮著重要作用。

榮譽(yù)加冕：激勵(lì)科技工作者勇攀高峰

2024年度上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)近日正式頒發(fā)，東華大學(xué)丁彬教授等完成的“高效成孔策略創(chuàng)制納米纖維多孔材料”項(xiàng)目榮獲自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。這一榮譽(yù)不僅是對(duì)研究團(tuán)隊(duì)20多年辛勤付出的肯定，更是對(duì)他們?cè)诩{米纖維多孔材料領(lǐng)域卓越貢獻(xiàn)的高度認(rèn)可。

在建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的進(jìn)程中，上海正激勵(lì)著科技工作者為國(guó)擔(dān)當(dāng)、勇為尖兵。加快建設(shè)高水平人才高地，深化國(guó)際科技開放合作，加強(qiáng)國(guó)家戰(zhàn)略科技力量建設(shè)，攻堅(jiān)關(guān)鍵核心技術(shù)難題，推動(dòng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，這是上海在深化國(guó)家科創(chuàng)中心建設(shè)之路上的一道道時(shí)代命題。東華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的成功，為上海乃至全國(guó)的科技工作者樹立了榜樣，他們用實(shí)際行動(dòng)詮釋了科技的力量和創(chuàng)新的價(jià)值。

展望未來，我們有理由相信，在科技工作者的不懈努力下，納米纖維多孔材料將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為推動(dòng)我國(guó)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。讓我們共同期待科技領(lǐng)域更多的創(chuàng)新成果，為人類的美好未來增添絢麗的色彩。