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气凝胶作为一种极具潜力的材料，因其独特的纳米多孔结构和超低密度在多个领域获得广泛应用。本文将深入探讨一种创新的微凝胶辅助悬浮打印（MSP）策略，展示其在构筑任意空间结构的Kevlar气凝胶方面的非凡表现。通过分析该策略的技术原理和应用实例，揭示其如何显著提高气凝胶材料的隔热性能和结构灵活性，并展望其在其他领域的潜在应用。
在材料科学的不断进步中，气凝胶因其独特的结构和性能，成为许多高科技领域的关键材料。气凝胶的应用广泛，包括但不限于汽车和航空航天组件的隔热和隔音、环境处理、储能设备和医疗器械等。然而，气凝胶的应用并不仅仅依赖于其卓越的功能性能，还需结合复杂的结构形态以满足不同应用场景的需求。这种结合催生了对新型制造技术的需求，特别是在气凝胶构筑过程中，如何实现复杂形状的精确控制成为了一个关键挑战。
针对这一挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究团队开发出了一种名为微凝胶辅助悬浮打印（MSP）的革命性技术。这种技术以其独特的制造原理和卓越的应用表现，为气凝胶的定制化构筑提供了全新的解决方案。
一、微凝胶辅助悬浮打印（MSP）策略的技术原理
MSP策略的核心在于利用微凝胶基质的特殊性质，在3D打印过程中提供临时的支撑作用。具体来说，研究人员采用了去质子化的凯夫拉纳米纤维（KNF）作为打印墨水，并通过合理设计的微凝胶作为辅助基质，使KNF墨水能够在微凝胶中逐层沉积，从而构筑出复杂的三维结构。
在打印过程中，墨水的储能模量、屈服应力和表观粘度必须精确匹配，以确保墨水能够顺利挤出。同时，微凝胶基质的相应参数也需要与之匹配，以保证针头的稳定移动和打印线条的承载能力。此外，针头的内径、挤出压力和打印速度等因素也对最终打印线条的尺寸和形貌产生重要影响。
通过这一策略，研究团队实现了对KNF打印线条形态和直径的精确控制。得益于微凝胶基质的辅助作用，挤出打印的速度得到了显著提升，达到167 mm/s，远高于传统打印速度，从而大大提高了制备效率。
二、MSP策略在Kevlar气凝胶中的应用
为了验证MSP策略的实际应用，研究团队使用该技术成功制备了凯夫拉气凝胶（3D-KA）。这种气凝胶结构不仅保持了Kevlar材料的极端耐高低温特性，还具有优异的隔热性能。在-30°С的环境下，采用3D-KAI绝热组件的无人机电池显示出显著的性能提升，放电容量比未安装3D-KAI的电池提高了26%。这表明通过MSP策略定制的气凝胶组件，可以有效解决电池在低温环境下容量下降的问题。
三、MSP策略的普适性与未来展望
除了Kevlar气凝胶外，MSP策略还展示了其在构筑其他类型气凝胶方面的广泛适用性。通过使用不同的前驱体墨水，这一策略可应用于多种材料的气凝胶构筑，包括有机材料如纤维素、海藻酸盐和壳聚糖，无机材料如石墨烯、MXene和二氧化硅，甚至有机-无机复合材料。这些材料制备出的3D打印气凝胶在结构上表现出一致的螺旋形态，且内部具有丰富的多孔结构，进一步验证了MSP策略的普适性。
MSP策略的出现，打破了传统基于挤出的直写成型技术对墨水流变性能的严格要求，大大拓展了可打印材料的种类和应用场景。未来，这一技术有望在更多领域得到广泛应用，例如复杂结构的绝热组件、储能设备中的电极材料，以及生物医用器械等。
微凝胶辅助悬浮打印（MSP）策略的开发，标志着气凝胶制造技术的又一次重大突破。通过这一创新技术，不仅实现了气凝胶材料在结构和性能上的双重提升，更为未来材料科学的发展开辟了新的方向。随着这一技术的不断完善和推广，气凝胶的应用前景将更加广阔，其在各个领域中的潜力也将进一步得到释放。
未来，我们可以期待MSP策略带来更多的创新应用，使得气凝胶材料在高科技领域中发挥更大的作用，为人类社会的进步贡献力量。
