苏州纳米所《自然·通讯》：突破性“三态流体”问世：气凝胶赋能新一代高效双功能能源管理

在软体机器人、生物医学工程和智能防御等前沿领域，传统刚性固体材料因固定形态而受限，而液态流体材料虽具备形状适应性，却长期受限于单一液相导致的低弹性、应力松弛慢及功能单一等瓶颈。尽管磁流变液、智能流体等材料展现了动态适应性，但如何设计出兼具固体结构支撑、液体流动性与气体可压缩性的多相系统，以实现高效的机械能与热能双重管理，仍是该领域面临的一项重大挑战。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员、李广勇副研究员团队报道了一种革命性的三态流体（Triple-state fluids, TSFs）。该材料通过将超疏水气凝胶微粒分散到具有屈服应力的水性介质中，成功构建了同时整合固态、液态和气态的多相体系。这种独特的异质疏液特性与双模式粘弹性，使材料兼具极低的密度（0.45 g·cm⁻³）和导热系数（0.21 W·m⁻¹·K⁻¹），不仅能在压缩-回弹循环中高效耗散能量，还能通过剪切变稀行为加工成高性能隔热涂层，为实现空间自适应、双用途（机械与热）能源管理提供了全新路径。相关论文以“Aerogel-involved triple-state viscoelastic fluidic materials enable high-efficiency dual-purpose energy management”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队首先解决了超轻疏水气凝胶微粒（密度仅0.1 g·cm⁻³）难以在水溶液中稳定分散的难题。他们采用含吐温80和黄原胶（XG）的屈服应力水溶液作为分散介质（如图1），成功将气凝胶微粒的体积分数提升至60%，并保持稳定超过15天。通过调控气凝胶的体积分数（从10%到60%），团队制备了TSF1至TSF7七种材料。流变测试（图2）显示，当气凝胶体积分数超过约40%时，材料出现渗滤网络，粘度急剧上升。振荡应变测试表明，TSFs具有独特的剪切粘弹性：在低应变下表现为类固体弹性主导行为（损耗因子<1），随应变增加可过渡至粘弹性平衡状态，最终转变为类液体粘性主导行为（损耗因子>1）。

图1. 三态流体（TSFs）制备的示意图。 白色区域表示超疏水二氧化硅气凝胶微粒周围或内部限制的空气。图中展示了TSFs在减振（机械能管理）和可加工涂层（热能管理）方面的潜在应用。

图2. 基于超疏水二氧化硅气凝胶微粒和屈服应力水性介质的TSFs的制备及其流变学表征。 (a) 将超疏水介孔二氧化硅气凝胶微粒分散在屈服应力水溶液中以制备目标流体。分散介质对超轻气凝胶微粒施加应力以平衡浮力，而气凝胶微粒的超疏水表面和纳米孔建立门控毛细压力，阻止水渗入内部。 (b) 稳态剪切粘度（在1 s⁻¹下测量）对气凝胶体积分数（φaerogel）的依赖性。 (c) TSF1和TSF7的粘度与剪切速率的关系。 (d) TSF1和TSF7的振荡应变扫描：剪切储能模量（G'）和损耗模量（G''）。 (e) 具有不同φaerogel的TSFs的屈服应力。

得益于气凝胶微粒的超疏水表面和纳米孔道产生的门控毛细压力（估算达10.4至55.4 bar），水分子在常压下无法进入微粒内部，使得TSFs成功保留了气凝胶的固相骨架和内部气相。如图3所示，TSFs的密度和导热系数可随气凝胶含量线性调节：TSF7（60 vol%）的密度低至0.45 g·cm⁻³，低于多数常见液体；其导热系数仅0.21 W·m⁻¹·K⁻¹，远低于水的0.6 W·m⁻¹·K⁻¹。尤为有趣的是，当气凝胶体积分数超过40%时，TSF液滴在疏水和亲水表面均表现出非润湿行为，这归因于疏水颗粒在液-固界面的富集。此外，高气凝胶含量的TSF7能像海绵一样快速吸收非极性溶剂（如庚烷），直观证明了其内部形成了互通的疏水“隧道”网络。

图3. 通过改变气凝胶颗粒体积分数调控TSFs的性质。 (a) TSFs的密度和孔隙率。 (b) TSFs的测得热导率（符号）和拟合结果（虚线）。 (c) TSF7与常见液体的密度和热导率比较。 (d) TSF和去离子水液滴在疏水（石蜡）和亲水（玻璃）表面的表面接触角。插图为TSFs和去离子水在石蜡和玻璃表面的照片。 (e) 具有不同气凝胶颗粒体积分数的TSFs对庚烷的吸收。庚烷用尼罗红标记以显示其迁移。 (f) TSFs中气凝胶颗粒结构随颗粒体积分数的演变示意图。φc对应于气凝胶颗粒开始形成渗滤网络的临界体积分数。

在压缩粘弹性测试（图4）中，TSFs展现出独特的两阶段压缩过程：低压下，水先填充颗粒间隙；高压下，水克服门控压力进入气凝胶的纳米孔。这种机制带来了高达1.81 J·g⁻¹（每克TSF）的能量耗散能力，若按固体材料计算则达25.5 J·g⁻¹，优于多数MOF/水体系。特别值得注意的是，TSF5在低于37 bar的压力下，可进行超过400次稳定的压缩-回弹循环而结构几乎无损，表现出优异的可逆弹性变形耐久性。动态力学分析（图5）进一步证实，封装在微型活塞中的TSF5在0-200 Hz宽频范围内，其损耗角正切值（tan δ）维持在0.2至0.6之间，展现出与商用聚氨酯泡沫相当的卓越振动隔离性能。在实际测试中，装有TSF5的减震器能将真空泵的振动几乎完全隔离，并将噪声从86.1 dB降至74.3 dB。

图4. TSFs的压缩粘弹性行为。 (a) 外部压力驱动水侵入的示意图：(i) TSFs中存在颗粒间和颗粒内孔隙。(ii) 由于门控毛细压力较小，水首先填充颗粒间空间。(iii) 当外部压力克服气凝胶颗粒内部较大的门控毛细压力时，水填充纳米孔。 (b) 压缩和减压过程中流体的外部压力与体积变化关系曲线。 (c) 具有不同φaerogel的TSFs的可压缩体积。 (d) TSFs和水在不同外部压力下的体积模量。 (e) 从压缩过程的压力-体积变化曲线计算得到的TSF7的孔径分布。 (f) TSF5在43.5%压缩体积下的压缩-减压循环。 (g) 在不同的压缩体积下，TSF5在压缩-减压循环中最大压缩应力的变化。

图5. TSF5的动态压缩性能和隔振性能。 (a-b) TSF5的动态力学分析：(a) 储能模量和损耗模量，(b) 损耗因子作为频率的函数。插图为安装在DMA中的定制夹具照片。 (c-f) 隔振性能：真空泵处的平均振动速度振幅(c)和平均振动位移振幅(d)；底板处的平均振动速度振幅(e)和平均振动位移振幅(f)。

除了机械能管理，TSFs出色的剪切粘弹性还赋予了其卓越的加工性能。研究团队成功实现了吨级规模生产（图6），并可通过浇铸、刮涂、喷涂等方式，在环境条件下干燥成型为块材、薄膜或对不规则工业管道进行涂层。所得的TSF基块材导热系数低至0.0274 W·m⁻¹·K⁻¹。在电子器件热管理演示中，800微米厚的TSF薄膜可将60°C热源上的电路板表面温度降低5-8°C，相对降温达16%。在90°C油浴保温测试中，TSF基隔热层相比无隔热层节省了40.9%的能耗，性能优于商用橡胶泡沫。

图6. TSFs的可加工性及隔热应用。 (a) 吨级TSF产品，插图为流动中的TSF。 (b) 通过浇铸TSFs获得的矩形块体。通过减材制造对矩形块体进行二次成型得到“SINANO”字样。 (c) 通过在PE载体上刮涂TSFs获得基于TSFs的薄膜。 (d) 采用喷涂工艺涂覆不规则工业管道的TSF涂层。 (e) 带有各种电子元件的电路板照片。 (f) 基于TSFs的薄膜的隔热测试装置。 (g-h) 使用PE薄膜(10 μm)或TSFs基薄膜(800 μm)作为隔热层时，电路板在60°C加热板上加热不同时间后的红外热像图。

总结而言，这项研究开创性地开发了基于气凝胶的固-液-气三态流体，巧妙解决了超轻疏水微粒稳定分散的难题，并通过双模式粘弹性实现了高效的机械缓冲与热绝缘双重功能。该工作不仅为设计新一代多功能流体材料提供了全新范式，也预示着TSFs在软体机器人抗冲击、精密仪器隔振、电子设备热管理及工业管道节能保温等广阔应用场景中的巨大潜力。