原创 高分子科学前沿 高分子科学前沿 前天
自从1931年首次提出气凝胶概念以来，这类材料凭借其超高表面积（＞100 m2 g-1）、超低热导率（低至12 Mw M-1 K-1）和超低体积密度（1.2×10-4 g cm-3）等特性而受到广泛关注。其中，由可生物降解材料（尤其是天然生物材料）制备的气凝胶由于具备可持续性、无毒性、易修饰性、组织再生等优势，有望在食品、空气/水净化和生物材料中得到应用。然而，该类由天然生物材料制备的气凝胶机械强度相对较低，而且该过程难免涉及到有机溶剂和有毒化学品的使用，导致其制备和应用均受到很大的限制。苏州大学王晓沁教授和郑兆柱等人和美国塔夫茨大学David Lee Kaplan合作通过在结点处对丝纳米纤维3D网络的溶剂焊接法，将丝状结构从无规卷曲转变为稳定的β片结构，制备得到了一种不溶于水的轻质丝蛋白纳米纤维气凝胶（SNFA）。该SNFA具有良好的机械性能、较低的密度（3.5 mg /cm3）、较高的疏水性（140.9°）和多孔的表面形态，从而可以高效且选择性地吸附颗粒物和油脂。与常用的无机气凝胶相比，该SNFA具有生物相容性、易修饰、环境友好且成本低廉等优点，因此在空气和水净化、生物传感器、药物传递和组织工程等方面具有潜在的应用价值。该研究以题为“Low-Density Silk Nanofibrous Aerogels: Fabrication and Applications in Air Filtration and Oil/Water Purification”的论文发表在《ACS Nano》上。图1a介绍了SNFA制备的三个关键步骤：成型、冻干和苯乙醇（PEA）焊接。作者首先通过电纺法制备了直径约300-400 nm的丝纳米纤维，并进行退火处理，然后将纤维悬浮液进行冷冻干燥。最后，作者将其放入密封容器中于45°C下PEA蒸气处理1 h。芳族醇，尤其是PEA，能支持牢固的溶剂焊接和丝的结构转化。与溶剂注入法相比，PEA蒸气处理是一种更好的方法，可以保留SNFA的体积、密度和机械强度。PEA蒸气能与以无规卷曲结构为主的纳米纤维相互作用，从而在SNF的结点处焊接，并将丝状结构转变为稳定的β片结构。与通过化学反应交联的丝蛋白气凝胶相比，该过程形成的气凝胶具有更高的机械强度和更低的密度。通过PEA蒸气处理的SNFA上存在纳米孔，这有利于获得低密度的SNFA。当SNF浓度降低到0.03 wt％时，获得的SNFA的密度仅为3.5 mg/cm3（图2a），该密度低于以前报道的其他生物聚合物气凝胶以及有机-无机混合气凝胶。此外，该SNFA（0.03 wt％）具有高疏水性（图2b），水接触角为126.7±0.9°-140.9±0.9°。水滴在落下接触SNFAs后能迅速弹起，且水滴几乎没有变形，表明气凝胶表面的水附着力极低。这是由于高的β片含量以及表面广泛分布的纳米孔显著提升了其疏水性。此外，SNFA中的纳米纤维具有单一取向（图2d），从而提供了出色的机械性能。所有SNFA只有在70％的压缩下才会出现塑性变形，而在50％压缩下几乎能完全恢复，且能保留其原始大小和形态，这证实了该SNFA具有出色的机械强度。SNFA具备高疏水性、微/纳孔结构和良好的机械性能，是潜在的用于水和空气净化的过滤材料。如图3a所示，当SNFA浸入水/大豆油混合液中时，油能迅速被吸收到SNFA中。当取出浸油的SNFA时，剩余水相体积与原始体积相同，这证实了SNFA对油的高选择性使其可用于油水分离。此外，作者设计了空气净化实验来研究SNFA的过滤效率。结果表明大多数PM2.5能被SNFA过滤器吸附（图3e），并附着在其多孔结构中。与医用外科口罩、KN95以及3 M口罩相比，SNFA的过滤效率分别是它们的3.19±0.56、2.36±0.61和1.67±0.49倍（图3g，h）。总结：作者通过使用PEA溶剂焊接电纺丝纳米纤维法，制备了一种轻质且不溶于水的SNFA。相交的SNF结构的牢固焊接、β片结构的形成以及SNF的单一取向赋予了所制造SNFA的出色性能，包括低密度、相对较高的抗压强度和高疏水性。该SNFA在空气净化领域可用于PM 2.5吸收，在水处理领域可用于残留油的吸附和分离，展现出了广阔的应用前景。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07896声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
