"激活-阻滞"策略实现透明聚甲基倍半硅氧烷气凝胶的3D打印：面向节能建筑的光热管理新材料

研究人员针对传统硅气凝胶难以兼顾透明性、隔热性和可加工性的难题，通过创新性提出"激活-阻滞"(activation-retardation)溶胶-凝胶反应策略，开发出具有97% Vis-NIR透光率和16.2 mW m-1 K-1超低导热系数的3D打印透明PMSQ气凝胶(TPAs)。该材料通过CTAC调控纳米结构，实现了光学透明与热绝缘的完美平衡，为建筑节能窗体和植物工厂照明系统提供了革命性解决方案。

　　

在追求碳中和的时代背景下，节能材料研发成为全球热点。传统硅气凝胶虽具有超低热导率(<20 mW m^-1 K^-1)和接近空气的折射率(<1.1)，但面临三大技术瓶颈：可见光-近红外(Vis-NIR)区域透光率不足、机械脆性导致加工困难、潮湿环境下性能衰减。更棘手的是，这些性能要求本身存在矛盾——提高透光率需要减小纳米颗粒尺寸，而增强隔热性则需控制孔隙结构，传统方法难以同时优化这些参数。

研究团队创新性地提出"激活-阻滞"溶胶-凝胶反应策略，选用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体，在醋酸/尿素/十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)水溶液体系中实现反应动力学精准调控。酸性条件(pH≈4)促进水解，尿素热分解产生的氨水(pH>7)激活缩聚反应，而醋酸挥发又可即时阻滞过度交联。这种"化学开关"机制配合CTAC的相分离抑制功能，成功制备出具有5nm均一颗粒和23nm孔径的透明聚甲基倍半硅氧烷(PMSQ)气凝胶墨水。

关键技术包括：1) pH值动态调控的溶胶-凝胶反应体系；2) CTAC辅助的纳米结构控制技术；3) 直接墨水书写(Direct Ink Writing)3D打印工艺；4) 超临界CO₂干燥技术。通过小角X射线散射(SAXS)和氮气吸附测试证实材料具有质量分形结构(mass fractal region)和778 m² g^-1的比表面积。

光学与热学性能

1.7mm厚度样品在可见光区透光率达95-98%，超越商用硼硅玻璃(≈90%)。近红外区高透光源于-CH₃基团的疏水性阻止水分吸附，而中红外区(8-14μm)的强吸收特性有效抑制辐射传热。激光偏转实验证实其折射率与空气匹配，650nm激光透过3.5mm样品后能量仅损失5%。

微观结构特征

透射电镜(TEM)显示5nm均一球形颗粒，氮吸附测试揭示23nm介孔结构。SAXS分析显示斜率-1.9的质量分形特征，球形度函数P(r)证实纳米颗粒的globular形态。这种结构使固体传导路径仅占体积6%，气孔尺寸小于空气分子平均自由程(≈70nm)，协同实现16.2 mW m^-1 K^-1的超低热导率。

应用验证

3D打印的锥形气凝胶天窗可将电容器工作温度从80°C降至48°C。植物工厂照明测试显示，3mm厚PMSQ灯罩在保持PMMA级透光率的同时，能有效阻隔灯泡热量，维持番茄最适生长温度(21-29°C)。热重分析(TGA)证实材料在350°C内稳定，水接触角151°赋予优异防潮性。

该研究突破了气凝胶材料"透明则脆、强则不透"的传统局限，通过分子尺度设计实现性能协同优化。创新点在于：1) 建立pH响应型"激活-阻滞"反应动力学模型；2) 开发CTAC辅助的纳米结构精确调控方法；3) 实现气凝胶从"制造"到"智造"的3D打印跨越。这种材料在建筑节能窗体、电子器件热管理、植物工厂等领域展现出独特优势，为碳中和目标提供了新材料解决方案。研究团队特别指出，该方法可扩展至其他金属氧化物气凝胶体系，具有普适性意义。