中科院苏州纳米所《自然·通讯》：可逆超疏水/超亲水二氧化硅气凝胶
中科院苏州纳米所《自然·通讯》：可逆超疏水/超亲水二氧化硅气凝胶
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新研究成果，揭示了溶剂对二氧化硅气凝胶表面特性的关键调控作用。通过水和乙醇的交替处理，团队成功实现了气凝胶超疏水与超亲水性能的可逆切换，为智能吸附、油水分离等应用提供了绿色高效的解决方案。
传统方法局限与新突破
二氧化硅气凝胶因其高孔隙率、低导热性等特性，广泛应用于隔热、催化和吸附等领域。然而，传统制备超疏水气凝胶需依赖有毒试剂（如三甲基氯硅烷）进行表面修饰，成本高且不可逆。该研究发现，在温和条件下（80℃），通过水和乙醇的溶剂交换，二氧化硅表面基团可发生可逆酯化反应：水环境促进硅羟基（Si-OH）生成，赋予超亲水性；乙醇则诱导硅乙氧基（Si-OEt）形成，实现超疏水性。这一过程无需复杂化学修饰，且溶剂可循环使用，大幅降低制备成本。
图 1.传统路线和本路线之间的比较。
可逆转换机制与实验验证
研究团队以甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和四甲氧基硅烷（TMOS）为前驱体，通过溶胶-凝胶法和超临界干燥技术制备气凝胶。实验表明，乙醇处理的超疏水气凝胶（SB-A）接触角达150.6°，滑动角低至2.9°，水滴可自由滚落；而水处理的超亲水气凝胶（SL-A）接触角为0°，水滴瞬间渗透。通过交替使用水和乙醇进行溶剂交换，材料表面特性可逆切换超过10次，性能保持稳定（接触角波动<2.6°）。固体核磁共振（NMR）和红外光谱（FTIR）证实，可逆酯化反应是表面基团转换的核心机制。
图 2.可切换的 SL-A/SB-A 前驱体跃迁和相应的超疏水/超亲水二氧化硅气凝胶。
图 3.可切换的 SL-A/SB-A 前驱体跃迁和相应的超疏水/超亲水二氧化硅气凝胶。
图 4.可切换 SL-A/SB-A 前驱体跃迁的机制研究。
普适性与应用前景
该方法对不同前驱体（如MTMS/四乙氧基硅烷、硅酸钠/TMOS）均适用，展现出强普适性。在吸附实验中，超疏水气凝胶对二氯甲烷中的亚甲基蓝吸附率高达99.1%（残留浓度0.88 ppm），而超亲水气凝胶对水相染料的吸附率接近100%。结合两种气凝胶，可高效分离油水混合体系中的污染物（图5g）。此外，超疏水气凝胶在强酸（pH=2）、强碱（pH=13）环境中仍保持优异油水分离效率，且具备自清洁特性，泥水接触后表面无残留。
图 5.溶剂调节的 SB-A/SL-A 前驱体跃迁的通用性以及相应的超疏水和超亲水二氧化硅气凝胶的按需应用。
环保与经济效益
与传统方法相比，该技术避免使用有毒试剂，溶剂（水/乙醇）成本仅为传统试剂的1/100（图6e）。团队还验证了常压干燥制备超疏水气凝胶的可行性，比表面积达1084 m²/g，推动规模化应用。气相调控实验进一步表明，高温水蒸气（125℃）或乙醇蒸气处理可直接切换材料表面特性，无需溶剂置换，简化工艺流程。
图 6.传统合成方式与本策略之间的比较。
未来展望
这项研究为智能吸附材料设计提供了新思路。下一步将优化气凝胶的机械性能，并探索其在柔性电子、智能涂层等领域的应用。该成果不仅攻克了气凝胶表面特性调控的难题，也为绿色化工和环境保护提供了创新工具。
来源：高分子科学前沿