中南林业科技大学万才超教授 ACS NANO | 绿色木材气凝胶创新制备:兼具超宽频带完美吸声性能、超弹性和生物相容性

噪音污染已被世界卫生组织（WHO）列为继空气污染之后的第二大环境健康风险。日常生活中常见的噪声频率主要集中在300–5000 Hz范围内，而传统吸声材料（如陶瓷、聚合物泡沫、聚偏二氟乙烯薄膜等）因其微观结构单一，对低频噪声（<1000 Hz）的吸收能力普遍有限。近年来，研究者通过结构设计开发出一些具有宽频吸声性能的材料，但仍面临三大局限：（1）难以在超宽频带内实现完美或近乎完美的吸声；（2）材料弹性差、耐久性低；（3）部分材料含不利于环境的化学物质。因此，开发兼具超宽频完美吸声、良好弹性与环境友好特性的材料，仍是该领域的关键挑战。

木质微纤维（MFs）因具备天然分级结构、高强高柔、高长径比及丰富表面羟基等特性，在构建可持续吸声材料方面潜力显著。然而，从细胞壁不同位置分离的MFs会因成分差异而表现出迥异的活性，其在声学吸收中的具体作用与分离位置的影响尚未被系统揭示。此外，现有木质多孔材料组装方法易导致纤维取向杂乱、孔隙结构不完整、孔径分布窄等问题，难以实现超宽频吸声，且制品常因界面结合弱而机械性能不佳。

针对上述问题，中南林业科技大学万才超教授团队提出了一种“梯度孔隙循环（GPC）”策略，用于构建具有分级有序结构的绿色气凝胶，以突破超宽频完美/近完美吸声的技术瓶颈。该研究选用木质细胞壁S2亚层中纤维素/木质素比例较高的MFs作为基元，其活性高于传统中层（ML）来源的MFs，更利于组装形成稳定的三维气凝胶。所得气凝胶具有各向异性的平行层状微通道、层内多级孔隙及丰富的层间弹簧状条带，这些结构协同作用，可实现对声波传播的高效衰减。仅30 mm厚的该轻质气凝胶即表现出超宽频近乎完美的吸声性能，且在极端温湿条件下性能保持稳定，并可经简单改性进一步优化。此外，该材料还展现出超弹性、优良的生物相容性与生物可降解性，在未来绿色声学应用领域具有广阔前景。相关成果以“Green Wood Aerogels for Ultrabroadband Near-Perfect Acoustic Absorption”为题，发表在ACS NANO上。

制备方法

2.1 木质MFs−GA−PVA水凝胶的制备

将制备的木质微纤维分别按1%、3%和5%的质量比例，与0.08%的聚环氧乙烷（PEO）溶液混合。混合物经高速均质器在8000–10000 r/min下均质2.5 h。PEO 对氢键具有强亲和力，可有效降低纤维素微纤维之间的粘附，防止团聚，从而改善其分散稳定性。聚乙烯醇（PVA）溶液通过将5.0 g PVA溶于100 mL去离子水中，在95 ℃下持续搅拌4 h至完全溶解制得。取1 g微纤维分散液与3 mL上述PVA溶液混合，随后加入0.8 mL体积分数为1%的硫酸调节体系pH至4–6。接着加入0.8 mL质量分数为25%的戊二醛（GA）溶液作为交联剂，室温搅拌6 h。将混合液置于真空烘箱中脱泡30 min，随后转移至方形聚四氟乙烯（PTFE）模具，于85 ℃烘箱中交联固化3 h，最终获得木质MFs‑GA‑PVA复合水凝胶。

2.2 超弹性气凝胶分级有序结构的制备

将所得的木质MFs‑GA‑PVA水凝胶前驱体置于经液氮预冷的铜板上进行定向冷冻处理。通过调控MFs的含量，可实现对水凝胶微观结构的精确调控。随后，将样品在‑60 °C、压力低于10 Pa的条件下进行冷冻干燥，最终获得超弹性气凝胶。需指出，在相同实验步骤下，仅使用木质MFs未能制备出完整的气凝胶，这主要归因于其在干燥过程中显著的尺寸收缩和较差的机械性能。。

重要图文

图1 | 从不同木质细胞壁位置分离出的微纤维的制备策略、形态和化学成分。（a）MFs-S2和MFs-ML分离的示意图。（b - g）三种类型木质微纤维的SEM图像：（b，c）MFs-ML；（d，e）MFs-S2；以及（f，g）MFs-RL。（h - j）三种类型微纤维的纤维素/木质素分布（I2900/I1599）：（h）MFs-ML；（i）MFs-S2；以及（j）MFs-RL。（k）共聚焦拉曼光谱。（l）纤维素/木质素强度的比较。（m）XRD图谱。

图2 | 将木质纤维素微团块（MFs-S2）与聚乙烯醇（PVA）进行三维交联。（a）使用甘油酸（GA）作为交联剂对木质纤维素微团块（MFs-S2）和聚乙烯醇进行交联的示意图，展示了所提出的物理和化学连接类型。（b）傅里叶变换红外光谱（FTIR）图谱，（c）X射线衍射（XRD）图谱，以及（d - g）木质纤维素微团块（MFs-S2）在与聚乙烯醇交联前后的C 1s和O 1s XPS光谱。（h）热重曲线和（i）差热重曲线。

图3 | MFs-S2−GA−PVA气凝胶的分层有序结构（a）创建分层各向异性结构的定向冷冻示意图。（b - e）MFs-S2−GA−PVA-1气凝胶的扫描电子显微镜图像：（b - c）侧视图显示多级孔隙（X - Z 平面）；（d - e）正视图揭示各向同性的平行层状微通道（Y - Z 平面）。（f - i）MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶的SEM图像：（f - g）侧视图和（h - i）正视图。（j - m）MFs-S2−GA−PVA-5气凝胶的SEM图像：（j - k）侧视图和（l - m）正视图。

图4 | MFs-S2−GA−PVA气凝胶在沿Y方向压缩时具有良好的柔韧性和超弹性特性。（a）厘米/分米尺度下的MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶。（b）形状各异的MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶。（c）在蒲公英种子绒毛尖端平衡着的轻质MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶。（d）压缩前、压缩中和压缩后的MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶。（e）在最大应变 50%时不同气凝胶的压缩应力-应变曲线。（f）在不同最大应变下进行加载-卸载循环时的MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶的压缩应力-应变曲线。（g）在 50%最大应变下对MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶进行的1000次循环疲劳测试。（h）MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶在不同循环次数下的杨氏模量、最大应力和能量损失系数ΔU/U。（i）MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶超弹性机制的示意图。

图5 | 微孔结构与声吸收性能：MFs-S2−GA−PVA气凝胶（a）氮气吸附-脱附等温线图。（b）微孔和中孔尺寸分布。（c）累积汞侵入曲线。（d - f）不同厚度（沿Z方向，即平行于层）的MFs-S2−GA−PVA气凝胶的声学响应系数（SAC）和（g）噪声反射系数（NRC）。（h）不同厚度（沿Z方向，即平行于层）的MFs-S2−GA−PVA气凝胶的声吸收性能比较。（i）在不同极端温度下保持的MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶的声学响应系数。（j - o）MFs-S2−GA−PVA-3气凝胶作为模型房屋和模型水下船只的吸声壁材（j - l）以及（m - o）。

图6 | 气凝胶的JCA模型分析及吸声机制。（a）厚度为30毫米时的SAC曲线（实验数据和JCA模型预测值）。（b - d）密度 ρ、（c）体积模量K和（d）声阻抗Zs的实部和虚部图。（e）特定声阻抗Z_s/ρ₀c₀的相位图。（f）沿 Z 方向测量的“梯度孔隙循环”吸声机制的示意图。

图7 | 宏-微相结合的模拟分析及MFs-S2-GA-PVA气凝胶的吸声机制。（a）MFs-S2-GA-PVA-3气凝胶的宏-微相结合模型（采用长结构的“螺旋”表示方式）。（b）基于域分解和异步时间步进的并行超级计算策略。（c - e）厚度为20毫米时的SAC曲线（实验和模拟预测）。（f - h）绝对声压的模拟分布。（i - k）说明MFs-S2-GA-PVA-1、-3和-5气凝胶吸声机制的示意图。

研究结论

本研究创新性地提出“梯度孔隙循环（GPC）”策略，成功制备出一种具有超宽频近乎完美吸声性能的绿色气凝胶。该气凝胶在520 Hz至6300 Hz范围内，吸声系数（SAC）达0.95–1.0，降噪系数（NRC）高达0.82，为目前报道的最高值。其有序分层结构——包括各向异性的平行层状微通道、层内多级孔隙及丰富的层间弹簧状条带——共同构成大量闭合环路，可促使声波在内部发生反复循环反射、摩擦与耗散，从而实现高效吸声。此外，材料在极端温度（-196 °C至+80 °C）、湿度（1% – 98%）及盐雾环境中仍能保持稳定的吸声性能，仅需轻微调整即可适应不同条件。该气凝胶同时具备优异的超弹性，可承受80%的应变，且在1000次循环压缩后仍保持90.5%的强度。得益于其良好的可扩展性、卓越的声学与机械性能，以及突出的生物可降解性与生物相容性，本工作所开发的气凝胶在下一代可持续吸声材料中展现出重要潜力，有望广泛应用于交通、工业及水下载具等领域的噪声控制。。

本文链接（或点击下方“阅读原文”）：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c06002

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