東華大學王鵬《自然·通訊》：仿生梯度氣凝膠突破極端環境傳感瓶頸，為航天服集成帶來新可能

在柔性壓力傳感器領域，如何平衡高靈敏度與寬檢測范圍，同時確保在極端溫度下的穩定性，一直是困擾研究人員的核心難題。特別是在航空航天等嚴苛環境中，傳感器需要承受恒星熱輻射與深空極寒交替帶來的巨大溫差，這對材料的性能和可靠性提出了近乎矛盾的要求。

近日，受自然界多梯度結構啟發，東華大學王鵬課題組通過一種自下而上的自組裝策略，成功制備出一種聚酰亞胺納米纖維/碳納米管（PINF@CNTs）雙梯度氣凝膠。該材料不僅具有超低密度（0.023 g/cm3）、優異的隔熱性能（28 mW m?1 K?1）和可靠的壓縮疲勞抗力，更在靈敏度（156 MPa?1）與檢測范圍（223 kPa）之間取得了出色平衡。尤為關鍵的是，它在-196°C至533.30°C的極端溫度范圍內仍能保持穩定的機械與電學性能，為在航天服等極端環境下實現集成化的熱防護與實時健康監測提供了全新的材料解決方案。相關論文以“Gradient nanofiber aerogels for extreme cryogenic and thermal environments”為題，發表在

Nature Communications

研究的靈感來源于自然界中廣泛存在的梯度結構，例如馬蹄。如圖1所示，馬蹄外層孔隙小、密度高，提供堅硬支撐；內層孔隙大、密度低，賦予其柔韌性和緩沖能力。模仿這一原理，團隊通過靜電紡絲、逐層冷凍和熱亞胺化的多步協同方法，構建了從底部高密度小孔到頂部低密度大孔連續過渡的雙梯度氣凝膠。這種結構設計使其能夠實現從柔性到剛性的動態轉變，從而巧妙化解了傳統傳感器靈敏度與量程之間的固有矛盾。

圖1：雙梯度納米纖維氣凝膠的仿生設計與應用。 (a) 馬蹄及其梯度結構（照片由作者拍攝）。(b) PINF@CNTs雙梯度氣凝膠制備過程示意圖。不同顏色代表梯度結構中的不同層。顯微圖像代表3個獨立樣品。(c) 氣凝膠在航天服中用于極端環境下健康監測與隔熱的應用示意圖。左圖顯示傳感器在極寒下的壓阻響應，表明性能影響極小。插圖展示了寒冷條件下傳感器的照片。右圖展示了傳感器在極熱條件下的隔熱性能。

為了深入理解梯度結構的作用機制，研究團隊對其形貌與變形行為進行了詳細表征。圖2展示了氣凝膠各梯度單元的掃描電鏡圖像，清晰呈現了從致密到疏松的孔隙漸變。有限元模擬進一步揭示，在受壓時，低模量層（大孔隙）首先發生變形，隨著載荷增加，變形逐步向高模量層（小孔隙）傳遞，這種分層逐級變形的模式是實現寬范圍高靈敏度傳感的關鍵。化學結構分析證實了聚酰亞胺的成功合成，熱重分析則顯示了材料良好的熱穩定性。

圖2：雙梯度納米纖維氣凝膠的壓縮變形機制與形態結構表征。 (a) PINF@CNTs雙梯度氣凝膠各梯度單元的掃描電子顯微鏡圖像。顯微圖像代表3個獨立樣品。(b) 雙梯度氣凝膠與 (c) 非梯度氣凝膠的有限元模型及變形機制。(d) PINF@CNTs氣凝膠、PAANF@CNTs氣凝膠、PI納米纖維膜和PAA納米纖維膜的FT-IR光譜。(e) PINF@CNTs氣凝膠與 (f) 純PINF氣凝膠的TG和DTG曲線。

優異的力學性能是其在復雜環境中可靠應用的基石。如圖3所示，雙梯度氣凝膠展現出卓越的柔韌性和可恢復性。其分級結構帶來了獨特的力學響應：初始壓縮時模量較低，有利于高靈敏度和穿戴舒適性；隨著形變增大，模量顯著升高，表現出由柔到剛的動態過渡，這不僅拓寬了傳感器的操作范圍，還實現了更高的能量吸收能力。疲勞測試表明，在經過1000次壓縮循環后，材料仍能保持超彈性和出色的抗疲勞特性。

圖3：雙梯度納米纖維氣凝膠的機械性能。 (a) 雙梯度氣凝膠的壓縮恢復照片。所有面板放大倍數與提供的標尺圖像相同。(b) 雙梯度氣凝膠與非梯度氣凝膠的變形模式。虛線表示層間局部變形。所有面板放大倍數與提供的標尺圖像相同。(c) 雙梯度和非梯度氣凝膠的應力-應變曲線與 (d) 能量吸收曲線。(e) 在80%應變下，雙梯度和非梯度氣凝膠的應力與壓縮模量對比柱狀圖。數值為平均值±標準差（n=3個獨立樣品）。

基于該氣凝膠的壓力傳感器表現出卓越的傳感性能（圖4）。得益于梯度結構，其檢測限提升至223 kPa，顯著高于非梯度對照樣品（107 kPa）。同時，它在寬壓力范圍內展現出高且分級的靈敏度。傳感器能夠穩定監測從微弱脈搏到跑步時足底壓力的動態變化，證明了其在生理信號與運動監測中的廣泛應用潛力。經過千次循環測試，其電阻響應依然穩定。

圖4：雙梯度納米纖維氣凝膠的傳感性能。 (a) 分層的PINF@CNTs網絡形成面內導電系統。基于 (b) 雙梯度氣凝膠和 (c) 非梯度氣凝膠的壓力傳感器，其相對電阻隨壓力的變化。(d) 基于雙梯度氣凝膠的壓力傳感器對不同壓縮應變（2%至80%）的電阻響應。(e) 基于雙梯度氣凝膠的壓力傳感器在50%應變下、1000次循環的壓縮-卸載耐久性測試。(f) 基于雙梯度氣凝膠的壓力傳感器對腕部脈搏的響應，以及通過檢測足底壓力（如站立、行走、跑步）對人體運動的監測。

在極端環境中，卓越的隔熱性能與溫度適應性同樣至關重要。如圖5所示，得益于高孔隙率和梯度結構對熱傳導路徑的有效阻隔，雙梯度氣凝膠表現出優異的隔熱性能。實驗表明，其能在液氮低溫與高溫熱源環境下保持結構完整與機械彈性。同時，材料在極端高低溫循環中，其壓阻響應保持穩定，證實了其在嚴峻環境下的可靠性與環境適應性。

圖5：雙梯度納米纖維氣凝膠的隔熱性能。 (a) 雙梯度氣凝膠的熱傳遞機制示意圖。(b) 雙梯度氣凝膠與 (c) 非梯度氣凝膠上下表面的溫度-時間曲線。(d) 不同材料的熱導率隨體積密度的變化關系。(e) 注入液氮時，雙梯度氣凝膠與冷板的溫度-時間曲線。(f) 模擬光源下雙梯度氣凝膠的熱紅外圖像。雙梯度氣凝膠在 (g) 200°C熱板上和 (h) -196°C液氮中的壓縮恢復圖像。(i) 放置在手掌上的氣凝膠（厚15.0毫米）的表面溫度。(j) 氣凝膠和手掌表面溫度隨時間的變化。

綜上所述，這項研究通過仿生設計成功研制出一種多功能雙梯度納米纖維氣凝膠，它從根本上解決了柔性壓力傳感器在靈敏度與檢測范圍之間長期存在的權衡難題，并展現出在極端溫度環境下前所未有的性能穩定性。這種將高效隔熱與高精度傳感融于一體的材料，為航空航天領域極端環境下的宇航員健康監測、熱防護以及下一代智能柔性電子設備的發展，提供了創新的設計思路與堅實的技術基礎。