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  在“雙碳”目標與可持續發展戰略的推動下，節能材料的開發已成為全球研究熱點。氣凝膠因其超輕質、高孔隙率和極低的熱導率，被譽為“21世紀最具潛力的新材料”。然而，傳統二氧化硅氣凝膠存在脆性大、透明性差和加工困難等問題，限制了其在節能建筑、光電器件和航天防護等領域的廣泛應用。

  近期，東華大學朱美芳院士與成艷華研究員團隊通過巧妙調控溶膠–凝膠過程中的水解與縮合反應，提出了一種“活化–抑制”策略，成功開發出一系列流變性能可調的凝膠墨水�；谥睂懯酱蛴〖夹g，該團隊實現了對透明氣凝膠的高精度三維成型，所制備材料兼具優異的光學透明度（可見–近紅外波段透過率達97%）和超低導熱系數（16.2 mW·m^-1·K^-1）。該研究打破了傳統溶膠–凝膠反應難以精準控制的限制，實現了墨水流變性能的可控設計，從而顯著提升了其可打印性。該工作首次實現了透明氣凝膠的三維可控打印，有效解決了成型困難、透明性與隔熱性能難以兼顧等關鍵難題。

  相關研究成果以“Activation–retardation in sol–gel reactions for additive manufacturing of transparent poly(methylsilsesquioxane) aerogels”為題，發表于《Nature Communications》（Nature Communications 2025,16,8212）。

圖1. 通過直接墨水書寫策略制備3D打印透明氣凝膠

  該團隊基于所提出的“活化–抑制”策略，采用“酸-堿”雙調節劑體系，實現了對溶膠–凝膠過程的精確調控。通過引入表面活性劑，不僅有效抑制了相分離，還調節了墨水的流變行為，為形成均勻納米結構提供了保障。如圖2所示，該工作對凝膠墨水的流變性能進行了系統表征，結果表明，基于該策略制備的墨水具有可調的黏度、顯著的剪切變稀特性以及良好的觸變性，這些特性共同保證了材料在3D打印過程中具備優異的可打印性和成型穩定性。

圖2. 可打印凝膠墨水的流變性能

  研究團隊采用所開發的凝膠墨水，成功實現了高精度復雜結構的3D打印。圖3展示了通過直寫式打印技術制備的PMSQ氣凝膠的微觀結構及相關性能。顯微結構分析表明，打印的氣凝膠內部呈現出均勻的納米骨架（約5 nm）以及介孔網絡結構（約23 nm），這一精細結構為其同時具備低熱導率和高透光率提供了關鍵材料基礎。

圖3. 3D打印透明氣凝膠的形貌、微觀結構及性能

  具備納米級骨架與孔結構的氣凝膠展現出優異的光學透過性和卓越的隔熱性能。如圖4所示，該氣凝膠在可見光-近紅外波段透過率高達97%，顯示出良好的透明性。當紅色激光穿透氣凝膠時，幾乎未觀察到明顯的光偏折和能量損失，這主要歸因于其納米級骨架尺寸顯著降低了光散射效應。此外，氣凝膠的高孔隙率和低密度（0.08 g·cm^-3）有效抑制了熱傳導和對流傳熱。同時，二氧化硅材料本身的高消光特性也有助于降低輻射熱導率。綜上所述，所制備的氣凝膠具備出色的隔熱性能，其熱導率低至16.2 mW·m^-1·K^-1，遠低于空氣的熱導率。在實際應用中，該氣凝膠在建筑節能窗、電子元件隔熱保護及植物工廠光熱管理等方面顯示出廣闊的應用潛力。例如，作為窗戶中間層可同時實現自然采光與高效隔熱，用于電容器封裝時能有效控制表面溫升，而作為植物生長燈的燈罩材料則可在保持高透光的同時阻隔熱量傳遞。這些結果表明，該透明隔熱氣凝膠在節能建筑、電子設備及光學元件等領域具有重要的應用前景。

圖4. 透明氣凝膠的透明性與隔熱性能及其在不同應用場景中的應用

  綜上所述，本研究提出的“活化–抑制”策略成功實現了透明PMSQ氣凝膠的直寫式3D打印，在材料制備工藝與綜合性能方面均取得了顯著進展。該工作為高透光、高隔熱氣凝膠的可控制備提供了創新性的方法，有效解決了氣凝膠在復雜結構成型與多功能協同集成方面的關鍵挑戰。所開發的氣凝膠材料在節能建筑、電子器件熱防護及光熱管理等領域展現出廣闊的應用前景。

  該工作得到了國家重點研發計劃項目（2021YFB3701600）、國家自然科學基金項目（52273031）、中央高�；究蒲袠I務費專項基金項目（2232024Y-01，2232025G-07）、東華大學先進纖維材料全國重點實驗室資助。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63356-8