2024年6月，新加坡圣淘沙岛附近发生重大石油泄漏事件，超400吨燃油入海。无独有偶，近年来污染危机频发，现有的污染治理材料中，生物质气凝胶虽然具有低密度、高孔隙率等优势，但面临亲水性导致结构易塌缩、机械性能差、功能单一等瓶颈，依旧无法满足实际应用。
基于此，新加坡国立大学翟玮博士带领先进仿生工程材料团队以天然多糖壳聚糖（CS）和海藻酸钠（SA）为原料，通过超声辅助纳米纤维组装+定向冷冻铸造+硅烷改性，打造出兼具超疏水、高强度、高回弹的气凝胶材料，为水处理提供可持续解决方案。
论文近日以“Biomass Nanofiber-Assembled Superhydrophobic Aerogels with Simultaneously Enhanced Mechanical Strength and Shape Recovery”为题发表在《Small Structures》上，共同第一作者是董昕宇博士和刘曲洋博士，通讯作者是翟玮博士。
三大创新点
纳米纤维定向组装：超声场驱动CS与SA静电交联，形成直径60-100 nm的纳米纤维，纤维强度大幅提升的同时还保留大量表面活性交联位点。
仿生蜂窝结构设计：定向冷冻铸造形成可控的各向异性蜂窝孔道、构筑纤维网络；增强垂直方向抗压强度的同时提升横向弹性，密度低至0.0098 g/cm³。
前驱体硅烷改性：三甲氧基甲基硅烷（MTMS）修饰纳米纤维表面，加固纳米纤维网络形成弹性交联点。赋予气凝胶功能化，使得水接触角达151°，吸油能力高达自重90倍，可应对多种油污和有机污染物并可重复使用。
【图1】气凝胶制备与性能总览
通过超声组装-硅烷改性-冷冻铸造三步法，成功制备多形状、超轻质气凝胶。密度低至0.0098 g/cm³，可站立于羽毛上；具有超疏水表面（接触角151°），压缩80%后仍能恢复95%形状。
【图2】纳米纤维组装增强结构
超声场自组装将CS/SA溶液转化为纳米纤维悬浮液，冷冻后形成多孔纤维网络。随着纤维浓度增加，气凝胶的密度和抗压强度也逐渐增加。
【图3】定向冷冻铸造调控微结构
定向冷冻形成长程有序蜂窝孔道，并体现出力学各向异性。其中垂直方向屈服强度较水平方向高2倍。孔隙结构受冷冻铸造的温度参数控制，低温会加速冰晶生长，例如在液氮温度下（-196℃），孔径进一步缩小至47 μm。低温使得机械稳定性得到提升。
【图4-5】硅烷改性的形貌和性能强化
EDX元素图谱显示，硅（Si）元素均匀分布在改性后的气凝胶中，证实MTMS成功接枝。SEM对比显示，未改性的CSNF气凝胶细胞壁呈松散片状，而CSNF-Si气凝胶因MTMS的Si-O-Si交联及与多糖的氢键作用，形成致密互联的纤维网络。MTMS添加量从0增至1000 μL时，抗压强度垂直方向从6.6 kPa跃升至19.3 kPa，80%应变条件下压缩强度提升至130.5 kPa，这是由于MTMS水解生成的硅醇基团（-Si-OH）与CS/SA的-OH/-NH₂形成共价键，同时自缩合生成Si-O-Si网络，双重作用强化纤维。
【图6】超高弹性揭秘
硅烷改性气凝胶（CSNF-Si）在强度提升的同时弹性也在同步提升，这是由于硅烷加固了纤维交联处的锚点，强化了整体网络的骨架结构。样品被压缩80%后恢复率达95%，微观显示蜂窝壁仅轻微弯曲。循环压缩测试表明，60%应变下回弹效率达94.1%，远超未改性样品。
【图7】超疏水与高效吸油应用
CSNF-Si气凝胶具有超疏水和亲油特性，可选择性吸收水面浮油或水下氯仿，吸油量可达自重90倍，重复使用20次后容量依旧保持在90%以上。
总结：
本工作通过分子-纳米-微米多尺度协同设计，以天然壳聚糖和海藻酸钠为原料，创新性融合超声辅助纳米纤维组装、定向冷冻铸造及硅烷改性技术，成功研发出兼具超强污染处理、超高弹性与超疏水的生物质气凝胶。该材料突破传统气凝胶亲水易塌、机械性能差的瓶颈，通过强化纤维、仿生蜂窝结构与硅烷加固网络实现循环利用，且全流程绿色无溶剂，无环境负担。该技术有望为海洋漏油应急、工业废水处理提供高效可持续解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.1002/sstr.202500009
通讯作者介绍：
翟玮博士（Dr. Zhai Wei）于2019年加入新加坡国立大学机械工程系，担任助理教授，带领先进仿生工程材料团队。团队的研究方向聚焦于仿生结构材料的多尺度设计、制备策略、力学性质、机理分析和多功能应用；研究的材料类别囊括软材料、结构超材料、陶瓷和复合材料，相关成果发表于：Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Mater. Today, PNAS, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci, Matter, ACS Nano 等期刊上。翟玮博士目前担任NUS 3D打印中心副主任、《Materials & Design》《Materials Today Communications》 等学术期刊的编辑职务，同时也是多家学术期刊的审稿人。
