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祖国庆:科研为桨 乘风破浪

来源:  发布时间:2021-03-02

  
王艳敏

  
  
  当今社会,随着工业的发展及能源的利用,对高效保温隔热材料的需求越来越迫切。如LNG(Liquefied Natural  Gas)船作为一种“海上超级冷冻车”,需在-163℃低温下运输易挥发和易燃的液化气,这就对低温隔热材料提出了很高的要求。此外,随着航空航天领域的发展,运载火箭液氢储罐、探测器的低温隔热、航天器的高温隔热等需求也不断增加。在建筑领域,建筑能耗占社会总能耗的比重很大,而寒冬外墙和玻璃的热量散失是其中一项重要因素。因此轻质、高效的建筑保温隔热材料的研究对建筑节能具有重要意义……种种需求表明,研发高效隔热材料已迫在眉睫。作为世界上最轻的固体——气凝胶因其超轻的重量也被称为“冻结的烟雾”,是一种通常采用溶胶-凝胶方法结合特殊的干燥工艺制备得到的多孔材料。它的热导率极低,具有超级隔热性能,甚至能承受住1000℃的火焰喷射。气凝胶独特的纳米多孔结构使其具有优异的隔热、吸附、催化等性能,在保温隔热、吸附、分离、储能、催化等领域具有良好的应用前景,被誉为“改变世界的神奇材料”。然而,传统的气凝胶存在机械强度低、热稳定性差等问题,其实际应用受到很大的限制。如何有效解决这些问题,进一步促进气凝胶的应用,同济大学材料科学与工程学院高层次青年人才祖国庆一直在思考着。
  
与同济大学的不解之缘
  2008年,对中国来说,是一个特殊的年份。那一年,有伤痛,也有喜悦:南方大雪灾、汶川大地震、北京奥运会成功举办、“神舟”七号飞船飞天……回顾这些不平凡的经历,足以令无数中国人感慨万千。对于祖国庆来说,2008年更多的是惊喜与未知。因为就是在那一年,他顺利考取了同济大学材料物理与化学专业并进行硕士阶段的学习。自此,他与同济大学结下了不解之缘:2011年硕士毕业后,祖国庆继续在同济大学攻读凝聚态物理专业的博士学位;2014年,他又在母校从事博士后研究。
  科研的道路上,如果遇到的全是希望,那再幸运不过,但遇到失望也不可怕,因为裂痕是光透过来的地方!祖国庆至今记得读博的时候,他的课题组参与了一个项目,主要任务是进行耐高温超级隔热材料的研发。为了找到合适的气凝胶材料,课题组进行了各种尝试,可仍然没有实质性的突破。虽然大家都有点灰心,但还是没有放弃。终于在项目进行的第三年,他们合成了一种耐高温气凝胶材料。这种材料不仅可以经受住1200℃以上的高温,而且还具有很好的隔热效果。以此为突破口,课题组最终成功完成了科研任务。
  为了开阔视野,提升科研水平,2016年,祖国庆以特定研究员的身份来到日本京都大学化学系进行学习交流。“日本在气凝胶领域的研究在很多方面比我们要先进。这几年的留学经历,让我更加坚定了自己的学术研究方向。”祖国庆说,此外,日本科研工作者的科研态度也让他印象深刻。不论是教授还是学生,对待科学都十分严谨认真,他们经常加班加点,放弃休息时间,忘我地沉醉在实验室里……
  从攻读硕士到出国学习,在那段漫漫的求学时光中,祖国庆参与完成了多项重要的科研项目。他就像一颗种子,努力地在科学的土壤中汲取营养,向上生长。虽然遭受了狂风暴雨,但他坚信,风雨过后,自己将变得更加坚强!
  2019年,祖国庆重返母校,这次他不再是以一名学生而是以一名老师的身份出现在校园里。除了进行科研工作,他还承担了一些教学任务,负责培养青年人才。他希望新一代的年轻人,能耐得住寂寞,有“坐冷板凳”的准备。“凡事最怕认真二字,科研工作也不例外。只要坚持下去,就一定会有收获!”祖国庆说。
  
新型超弹性石墨烯气凝胶助力环保和智能传感
  祖国庆从事纳米多孔气凝胶材料研究工作已有十余年的时间。经过不懈的探索,他发展了多种方法,合成了一系列新型气凝胶材料,并研究了其超级隔热、吸附、光催化、储能、应变传感等性能。他以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等权威SCI学术期刊发表论文20余篇,共被引用约1000次。他获得授权中国发明专利4项,日本发明专利1项。此外,他还主持了多项科研项目,参与国家科技支撑计划、国防专项等多项重大项目。凭借其杰出的贡献,祖国庆获得了上海特聘专家、上海市浦江人才、中国大学生创业计划竞赛金奖等多项荣誉或奖励。
  在祖国庆参与或主持的众多项目中,不得不提的是“超弹性石墨烯/有机硅氧烷复合气凝胶及其吸附、压力和应变传感研究”项目,这是他2019年回国后不久申请的,并被列入“上海市浦江人才计划”。
  祖国庆介绍说:“随着当今科技和社会的快速发展,人们对环保、智能传感等新材料的需求日益增长。近年来,石墨烯气凝胶因其独特的三维网络结构以及极低的密度、极高的孔隙率、良好的导电性等性能而受到广泛的关注。它们在能源存储、催化、吸附、压力和应变传感等诸多领域展现出良好的应用前景。然而到目前为止,大部分已报道的石墨烯气凝胶弹性和可弯曲性较差,这限制了其应用范围。”
  由此,祖国庆带领项目组通过引入氨基硅烷作为交联剂和还原剂,探索合适的偶联复合、有机硅烷水解缩聚和自由基聚合等方法,合成氨基硅烷交联的石墨烯复合气凝胶,以及基于石墨烯和有机倍半硅氧烷(或聚烯基聚硅氧烷)的石墨烯复合气凝胶,并研究其结构以及弹性、可弯曲性、疏水性、吸附和应变传感等性能。
  “通过选用合适的氨基硅烷并优化合成参数,我们获得了具有高比表面积、超疏水、超低密度、超弹性、高效隔热、有效的三组分分离和高灵敏度的应变/压力传感等优异性能的氨基硅烷交联的石墨烯气凝胶。”祖国庆解释道,它与水的接触角可达160°,密度低至1.5mg·cm-3,压缩90%以上能够完全反弹,热导率极低,能够实现油/染料/水的分离,可应用于节能环保领域。并且,基于该气凝胶的柔性传感阵列具有高的灵敏度和优异的耐潮湿性能,能够探测0%.80%的应变范围以及10Pa至10kPa的压力范围,可应用于压力/应变传感和柔性电子皮肤领域。
  该项研究成果为柔性多孔材料的设计与合成提供了借鉴,并将促进吸附、压力和应变传感以及柔性电子器件的发展。
  
研发透明柔性气凝胶超级隔热材料
  目前研究最为广泛和最为成熟的气凝胶是氧化硅气凝胶,它具有均匀的纳米网络结构和极小的粒径和孔径,这种结构有效地抑制了热传导,其热导率可低至14.15mW·m.1·K.1。此外,氧化硅气凝胶的这种结构有效减少了对可见光的散射,从而使其拥有良好的可见光透过性。因此,氧化硅气凝胶是一种理想的透明、轻质超级隔热材料,可用于窗户、建筑顶棚、汽车、透明电子器件等领域的采光隔热。然而,氧化硅气凝胶的结构脆弱,机械强度低、易碎。另外,为了获得多孔结构,气凝胶通常需要超临界干燥,制备过程耗能高,且不利于放大生产。以上两个问题严重限制了气凝胶的实际应用。
  针对上述问题,祖国庆发展了一种合成透明柔性双交联气凝胶的自由基聚合/水解缩聚双交联方法。采用该方法,以乙烯基三甲氧基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧基硅烷等有机硅烷为前驱体,合成了聚乙烯聚倍半硅氧烷、聚烯丙基聚倍半硅氧烷、聚乙烯聚甲基硅氧烷等具有独特双交联结构的气凝胶。通过提高自由基聚合的转化率和聚合度,并调控水解缩聚反应,有效抑制了宏观相分离,获得了均匀的纳米多孔结构。得益于其独特的结构,所得气凝胶具有低密度、透明、高比表面积、高可压缩性、可弯曲性、可机械加工性以及超级隔热性能。其中,聚乙烯聚甲基硅氧烷气凝胶可采用简便的常压干燥制备得到,并且具有良好的弯曲柔性。这一成果得到了气凝胶领域权威媒体Aerogel.org Community的高度评价:“该工作克服了气凝胶广泛应用的主要障碍之一,即高昂的制造成本,可为其大规模应用铺平道路。”另外,该成果已在日本实现技术转让。
  “一箭易断,十箭难折。个人的力量通常是有限的,只有发挥团队作用,才能真正在气凝胶研究领域实现突破与发展。”祖国庆说,接下来,他将广纳贤才,积极筹建自己的项目团队,并带领伙伴们扬起梦想的风帆,在科学的海洋中一路乘风破浪,浩浩而行!
  

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2022年4月

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