受荷叶柄启发，制备长程有序CNF气凝胶实现液体传输和染料纯化|南京林业大学|材料|气凝胶|纳米

近日，南京林业大学博士研究生陈一鸣以第一作者身份在材料领域国际顶级学术期刊ACS Nano（影响因子15.881）上在线发表了题为“Liquid Transport and Real-Time Dye Purification via Lotus Petiole-Inspired Long-Range-Ordered Anisotropic Cellulose Nanofibril Aerogels”的研究性论文（DOI: 10.1021/acsnano.1c10093）。蒋少华教授和梅长彤教授为通讯作者，南京林业大学为第一单位。该成果得到了国家自然科学基金项目（51803093和51903123），江苏省自然科学基金项目（BK20190760）和南京林业大学标志性成果培育项目的资助。

从自然界中获取设计灵感来构筑高性能的功能仿生材料已成为研究热点之一。课题组在前期的研究中，利用在传统冷冻干燥基础上发展起来的定向冷冻干燥技术，已成功构筑了具有各向异性结构的纳米纤维素基多孔材料（Cellulose, 2019, 26(11): 6653-6667），并对其性能及多功能化的应用进行了研究与探索（Carbohydrate Polymers, 2022, 276: 118799; ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(31): 35513-35522）。然而，现有的定向冷冻干燥技术所制得的多孔材料，仅仅是在局部上展现短程的各向异性结构，而这也是在定向冷冻过程中普遍存在的、亟需解决的问题。

图1 （a）自然界中的荷花；荷叶柄在（b）横向和（c）纵向上的形貌结构；（d）长程有序气凝胶的制备流程图

大自然中荷花细长的叶柄，能够呈现各向异性的多孔结构，其有序的纵向通道有利于水分和养料的定向快速输送。课题组受荷叶柄启发，以纤维素纳米纤维（CNFs）为前驱体，在已有的定向冷冻干燥技术的基础上提出了一种新的定向冷冻思路，即基于冰晶的生长规律，在冷冻过程中施加一个与冰晶生长驱动力相斥的外界速度来调控冰晶的生长，以制备具有超长均匀取向结构的CNF气凝胶，当提供的外加速度为0.04 mm/s时，能够较好地调控定向温度梯度和晶核驱动力，使得长程气凝胶的取向结构均匀有序。此外，长程取向结构不仅赋予了气凝胶快速的远距离溶剂定向传输的能力（50 s内就可以将乙醇自下而上地传输40 mm），还能够实现气凝胶对有机染料的高效吸附和选择性分离。