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  超材料是一種新興的人工材料，它具有工程結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的非常規(guī)性能，如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)導(dǎo)熱系數(shù)等，在電磁學(xué)、聲學(xué)、等離子體、力學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其中，具有負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)超材料，描述了給定材料在拉伸或壓縮時(shí)的橫向變形程度。因其具有出色的機(jī)械性能，如抗剪切、抗壓痕、斷裂韌性、阻尼性能等，在航空航天、智能系統(tǒng)及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。然而，目前力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用面臨兩個(gè)挑戰(zhàn): （1） 如何高效、快速制備多功能負(fù)泊松比超材料；（2）微觀結(jié)構(gòu)相對簡單，限制了力學(xué)超材料的應(yīng)用。因此，將氣凝膠的優(yōu)異性能（如超低密度、大比表面積、高孔隙率、多級孔洞結(jié)構(gòu)、低熱導(dǎo)率及良好的介電性能等）引入到力學(xué)超材料中，必定會(huì)進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍。

  鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)（http://www.aerogel-online.com/）通過溶解高性能的杜邦^TMKevlar纖維制備了具有合適流變性能的凱夫拉納米纖維墨水，進(jìn)而采用高精度和低能耗的冷凍-直寫3D打印方法及超臨界干燥技術(shù)，首次制備出具有分級多孔結(jié)構(gòu)的3D凱夫拉氣凝膠超材料。

圖1. 3D打印凱夫拉氣凝膠超材料的制備過程

  所用打印方法是一種基于以二甲亞砜為墨水溶劑的直寫成型-冷凍鑄造技術(shù)，相對于水基墨水，該方法具有低能耗、高精度和普適性優(yōu)勢。3D 凱夫拉氣凝膠超材料（3D-KAAA）中相鄰的ANF線條原位焊接在一起，從而保證了結(jié)構(gòu)整體性。此外，所得3D-KAAA具有超低密度(11.9 mg·cm^-3)、良好的機(jī)械性能（可卷曲、折疊、扭曲等）、大的比表面積(350 m²·g^-1)等。

圖2. 3D打印凱夫拉氣凝膠結(jié)構(gòu)單元（υ=-0.8, 0.1和0.4）的設(shè)計(jì)(a)，打印(b)和微觀形貌(c)。(d) 3D-KAAA (υ =-0.8)在 0 -15 %單軸拉伸應(yīng)變下的光學(xué)照片。(e) 3D打印凱夫拉氣凝膠的拉伸泊松比曲線。(f) 3D-KAAA (υ =-0.8)拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。(g) 3D-KAAA (υ =-0.8)宏觀和微觀的力學(xué)模擬。

  通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，3D打印凱夫拉氣凝膠具有可控的泊松比（-0.8~0.4）。對3D-KAAA (υ =-0.8)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)在拉伸時(shí)，結(jié)構(gòu)樑與節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)相互作用、結(jié)構(gòu)樑內(nèi)部相互纏結(jié)的凱夫拉納米纖維的屈曲變形及結(jié)構(gòu)的多級斷裂現(xiàn)象，賦予其良好的能量吸收性能(80.1 J·g^-1)。隨后分別對3D-KAAA (υ =-0.8)進(jìn)行氟碳樹脂表面改性、功能染料浸泡、相變材料填充后，分別得到了水驅(qū)動(dòng)、光致變色及熱響應(yīng)的3D打印凱夫拉超材料。

圖3. 3D-KAAA(υ =-0.8)的功能化改性：(a) FC疏水改性前后的接觸角和表面形貌變化。 (b) 通過拉伸-回縮觸發(fā)水滴的輸運(yùn)。(c-d)可見光/紫外光下的光致變色改性。(e) 3D-KAAA/PEG-2K 和 3D-KAAA/Wax復(fù)合物的DSC曲線。(f) 3D-KAAA/PEG-2K復(fù)合物的形狀記憶功能。

  以上成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (Journal of Materials Chemistry A. 2020, DOI: 10.1039/d0ta02590a)上。論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院博士生程青青，通訊作者為張學(xué)同研究員，共同通訊作者為英國倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）宋文輝教授，其他合作者包括英國帝國理工學(xué)院(Imperial College London)的劉洋博士、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的呂婧博士和蘇州大學(xué)紡織學(xué)院的呂強(qiáng)教授。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta02590a#!divAbstract