3D打印膠體氣凝膠—材料世界的 “變形金剛”，從結構到功能的神奇演變
氣凝膠作為一類在多學科領域具有關鍵作用的多孔納米材料，因其獨特的結構和優異的性能，在眾多領域得到了廣泛的應用。然而，目前對于3D打印氣凝膠的系統性綜述尚處于起步階段，尤其是在區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域的進展。團隊從膠體科學的視角出發，深入探討了3D打印膠體氣凝膠的發展歷程、關鍵制備步驟、打印策略、分類、限域功能化、獨特性能、新興應用，以及當前面臨的挑戰和未來機遇。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。團隊提出通過開發新的打印技術、優化墨水配方、改進打印設備等措施，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，為該領域的發展提供了新的思路和方向。相關工作以“3D printed colloidal aerogels: Principle, process, performance, and perspective”為題發表在《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計與制備、打印過程、溶劑交換和干燥以及后處理等關鍵步驟。墨水需考慮納米構建塊種類等因素；打印有噴墨、擠出、光固化等方式；干燥方法影響氣凝膠結構；后處理可優化氣凝膠性能。
- 打印策略：采用分類討論和實例分析方法，根據溶膠 - 凝膠轉變時間，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生轉變，適用于多種材料；溶膠 - 凝膠打印在打印過程中轉變，分物理和化學兩種方式，可實現復雜結構打印；凝膠打印在打印前完成轉變，能利用現有凝膠體系。
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，通過力學測試和結構分析，發現可通過設計氣凝膠的層次結構調控其機械性能。如Kevlar膠體氣凝膠可獲得負泊松比，石墨烯/CNT膠體氣凝膠能實現高拉伸比和高疲勞抗性。
- 熱性能：運用熱性能測試和結構調控實驗，研究發現3D打印膠體氣凝膠具有優異的隔熱性能，熱導率受結構影響，可通過控制打印參數調節熱傳導。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。
- 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的吸附能力和吸附機制。結果表明其對染料、有機污染物等有良好吸附能力，如3D打印的石墨烯微球對亞甲基藍的吸附性能優異。
- 光學性能：通過光學測試和結構表征，研究光與氣凝膠的相互作用。發現氣凝膠的光學性能與納米構建塊大小、結構有關，可通過調整結構調控光的吸收、散射和透射。如3D打印的Au - 納米棒TiO2膠體氣凝膠在可見 - 近紅外范圍內有強消光特性。
- 電磁屏蔽性能：分析3D打印膠體氣凝膠對電磁波的反射、吸收和多次內部反射損耗機制，研究發現通過結構設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。
- 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用，如離子傳輸、電容特性等。發現其在電化學器件中具有優勢，如3D打印的石墨烯/MWCNT電極能加速離子/電荷傳輸。
3. 3D打印膠體氣凝膠的應用探索
- 能源存儲：通過實例展示和性能分析，研究發現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電機等，能提高能源存儲和轉換效率。
- 熱管理：以3D打印的二氧化硅基和Kevlar基膠體氣凝膠為例，研究其在熱管理領域的應用，如作為隔熱材料和用于紅外隱身。結果表明它們能有效阻擋熱量傳遞和控制紅外輻射。
- 催化：通過實驗研究，發現3D打印膠體氣凝膠與功能材料結合可實現對有機化合物的光熱催化降解、二氧化碳轉化等。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。
- 太陽能蒸汽蒸發：研究3D打印膠體氣凝膠在太陽能蒸汽蒸發領域的應用，發現其多孔結構和光熱轉換性能可實現高效水蒸發和海水淡化。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器中表現出色。
- 傳感器和執行器：通過制備不同結構的氣凝膠并測試其對外部刺激的響應性能，研究發現3D打印膠體氣凝膠在傳感器和執行器領域有應用潛力，如用于氣體傳感、應變傳感等。
- 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，通過體內動物實驗和細胞培養實驗，研究發現它們在生物工程領域有應用前景，如高效止血和促進骨組織再生。
4. 3D打印膠體氣凝膠的挑戰與機遇
分析3D打印膠體氣凝膠當前面臨的挑戰，包括超快速打印、多組分打印、全連續打印、面向應用的結構設計和機器學習輔助設計等方面。通過對現有技術和應用需求的研究，提出相應的解決方向和未來發展機遇。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101456
(責任編輯：admin)
修飾脂質納米顆粒：實現軟
斯坦福大學團隊：高延展物
用于3D打印的阻燃和阻燃塑
彩色3D打印線材介紹
Axtra3D宣布與Additive Pl
nano3Dprint發布
3D Systems推出Ne
3D打印超高強納米
UCLA鄭小雨教授：
意大利研究者研發
Nature發表ZrO2-S
