碳气凝胶中液体与气体对比匹配流体的SANS研究：孔隙介质表征与弹性变形机制

研究人员针对多孔介质表征中对比匹配(CM)小角中子散射(SANS)技术的关键问题，通过碳气凝胶模型系统，系统评估了液态(H2O/D2O)与气态(CD4)流体的性能差异。研究发现5 nm尺度孔隙呈现理想两相行为，而高压CD4在125 nm尺度引发基体弹性变形，揭示了碳气凝胶独特的结构可恢复性，为多孔材料表征方法选择提供了重要依据。

　　

在能源存储、催化和油气开采等领域，多孔材料的性能高度依赖于其纳米级孔隙结构及流体-基体相互作用。然而传统表征技术如高压汞侵入法可能破坏样品，而常规成像方法又难以区分开放与封闭孔隙。小角中子散射(SANS)结合对比匹配(CM)技术虽能解决这些问题，但液态与气态CM流体的选择标准尚不明确，且高压气体可能引发基体变形的风险未被系统评估。

针对这些挑战，澳大利亚新南威尔士大学(UNSW Sydney)材料科学与工程学院的研究团队以结构均质、化学惰性且孔隙可调的碳气凝胶为模型，通过SANS技术对比研究了液态H₂O/D₂O混合物与高压CD₄气体的渗透行为，相关成果发表在《Microporous and Mesoporous Materials》上。

研究采用两种关键技术：一是使用可拆卸SANS细胞进行液态CM实验，通过真空除泡、超声和离心等多步骤优化饱和流程；二是采用高压SANS细胞系统，在22°C下对晶圆状样品进行50-1000 bar的CD₄压力循环测试。所有数据均在法国劳厄-朗之万研究所的D11仪器和澳大利亚核科技组织的Bilby束线采集，覆盖0.5-150 nm尺度范围。

孔隙结构基础表征

真空状态下SANS揭示碳气凝胶存在5 nm单分散球形主孔隙和1.9斜率的质量分形结构。Porod不变量计算显示粉末与晶圆样品孔隙率分别为16%和11%，低于制造商标称的30%，暗示存在SANS检测范围外的更大孔隙。

液态CM流体的渗透特性

H₂O/D₂O混合物在5 nm尺度呈现完美两相行为，98%孔隙可被液态渗透。但研究发现样品制备方法显著影响大孔隙（>40 nm）饱和效果：预混悬浮法（方法2）比原位饱和法（方法1a）更有效消除气泡滞留，证明机械搅拌对克服毛细管力限制至关重要。

高压气体的独特现象

CD₄在5 nm尺度同样显示理想两相行为，但孔隙可及性降至73%。最引人注目的是，在125 nm尺度（对应Q=2×10^-3 ?^-1），散射强度随压力升高反常增加，通过理论计算排除流体凝聚假说后，证实这是碳基体弹性变形的直接证据——外部高压使不可及孔隙产生5倍浓度增长，且在卸压后结构完全恢复。

这项研究不仅明确了CM-SANS实验中流体选择的指导原则，更揭示了碳气凝胶惊人的结构弹性：即使经历千巴级压力变形，其纳米结构仍能完全恢复。该发现对设计高压应用场景下的多孔材料（如甲烷储层模拟、超临界流体催化）具有重要启示。液态CM更适合精确孔隙表征，而气态CM则能同步探测材料的力学响应特性，为发展"原位力学-SANS"联用技术提供了方法论基础。