混合淀粉样蛋白-氮化硼气凝胶用于轻质隔音

《Advanced Materials》：Hybrid Amyloid–Boron Nitride Aerogels for Lightweight Sound Insulation

　　

氮化硼（BN）是一种轻质、热稳定且化学惰性的材料，广泛应用于电子和绝缘领域，但其合成通常依赖高能耗、高温路线。此处，研究人员引入了一种可持续的自下而上的策略来制备混合氮化硼-淀粉样蛋白原纤维（BNAF）气凝胶，其中乳清蛋白淀粉样蛋白原纤维作为可再生支架，协助富BN域的组织。温和的超声处理-冷冻干燥过程产生了具有分级孔隙的超轻气凝胶，与无蛋白质对照组相比，增加了类似BN的有序性，并具有原纤维诱导的增强。混合气凝胶结合了机械增强、适度使用条件下的热稳定性以及强大的声学性能，实现了高于0.8的声吸收系数、高达0.63的降噪系数以及25-30 dB的声传输损耗。这种低密度和强隔音的组合优于常见的轻质声学材料如玻璃纤维，确立了淀粉样蛋白辅助的BN-蛋白质混合气凝胶作为中等温度、对重量敏感的降噪应用的有前途候选材料。

**论文解读：基于淀粉样蛋白-氮化硼混合气凝胶的轻质隔音材料研究**

**研究背景与意义**

氮化硼（BN）作为一种轻质、热稳定且化学惰性的材料，在电子和绝缘领域具有广泛应用。然而，传统BN合成方法（如化学气相沉积、高温固相反应）通常需要超过1000°C的高温，能耗高且工艺复杂，限制了其可持续性和规模化应用。同时，空气传播噪声已成为现代社会的环境问题，对轻质、高效隔音材料的需求日益增长。现有隔音材料如玻璃纤维、聚氨酯泡沫等，往往在密度与隔音性能之间难以兼顾。研究人员受蛋白质自组装和生物模板启发，尝试利用廉价、可再生的乳清蛋白淀粉样蛋白原纤维作为结构性支架，通过温和的超声处理-冷冻干燥工艺，自下而上构建BN-淀粉样蛋白原纤维（BNAF）混合气凝胶，旨在实现低密度、高机械强度、良好热稳定性及优异声学性能的协同。该研究发表在《Advanced Materials》上，为开发可持续、轻质隔音材料提供了新路径。

**关键技术与方法**

研究人员采用以下主要技术方法：（1）乳清蛋白分离物（WPI）在酸性（pH 2）和高温（90°C）条件下转化为淀粉样蛋白原纤维（AF）；（2）将硼酸（H₃BO₃）与AF混合形成硼酸-原纤维复合物，随后加入三聚氰胺（C₃N₆H₆）作为氮源，通过超声处理（90 W）促进BN域形成；（3）进一步在400 W或900 W高功率超声处理下分散并重组BN-原纤维杂化结构，再经冷冻干燥获得气凝胶。样品来源：乳清蛋白分离物来自新西兰恒天然，硼酸、三聚氰胺和六方氮化硼购自Sigma-Aldrich。

**研究结果**

**2.1 混合BN-淀粉样蛋白原纤维气凝胶的制备与表征**

通过原子力显微镜（AFM）观察，纯淀粉样蛋白原纤维呈长且细的形态，而BN-原纤维复合物中原纤维明显变短，且BN富集区域与原纤维网络紧密关联。扫描电子显微镜（SEM）显示，在无原纤维条件下，400 W超声处理的BN呈不规则致密形貌；而在低功率（90 W）下添加原纤维后，可形成清晰的BN纳米纤维，表明原纤维作为支架促进BN有序生长。在高功率（400 W和900 W）下，SEM图像显示BN纳米纤维嵌入致密基质中，未出现典型的纳米片结构。X射线衍射（XRD）表明，BNAF样品（尤其是400 W处理）的结晶度指数（CI）达26.2%，显著高于无原纤维的BN样品（15.7%），且接近商用BN（20.3%），证明原纤维辅助提高了BN有序性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示所有样品均存在B-N键特征峰（~1405 cm^-1和~790 cm^-1），BNAF样品还出现B-N-O和B-O环境峰。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实硼元素的存在及氮环境的变化。氮气吸附-脱附测试表明，BNAF气凝胶的比表面积（S_BET）为3.4-4.4 m²/g，高于纯AF（2.9 m²/g），中孔尺寸集中在29 nm。扫描透射电子显微镜-能谱分析（STEM-EDS）显示氮富集区域与氧背景分离，支持BN相的存在。压缩测试表明，BNAF气凝胶在50%应变下应力达7-9 kPa，远高于无原纤维的BN气凝胶（<1 kPa）。动态力学分析（DMA）显示900 W BNAF的储能模量（E′）和损耗模量（E″）均更高，损耗角正切（tan δ）<0.2，表现为弹性主导行为。热重分析（TGA）显示BNAF气凝胶在900°C空气中残留约27%质量，表明存在热稳定的BN相。

**2.2 隔音性能**

采用阻抗管法测量声吸收系数（α）和声传输损耗（STL）。纯AF及BNAF气凝胶（厚度40-45 mm）在宽频范围内均表现出α>0.8，其中900 W BNAF的降噪系数（NRC）达0.63，与纯AF相当，高于400 W BNAF（0.59）。STL测试显示，BNAF气凝胶的平均STL为20-25 dB，远高于纯AF（~10 dB）。在2 kHz、50 mm厚度条件下，900 W BNAF（密度0.096 g/cm3）的STL达30 dB，显著优于三聚氰胺泡沫（~6 dB）和玻璃纤维（~7 dB）。加权隔声指数（R_w）为14-16 dB，超过PVC和沥青层。通过2M2L方法分析，BNAF气凝胶的高STL归因于BN相的引入增加了有效动态阻抗，增强了反射；而多孔网络结构通过粘性和热耗散吸收声能，实现了吸收与隔声的协同。

**总结与讨论**

研究人员通过自下而上的超声-冷冻干燥工艺，利用乳清蛋白淀粉样蛋白原纤维作为可再生支架，成功制备了BNAF混合气凝胶。原纤维的引入显著提高了BN的结晶度、机械增强和气凝胶成型能力。结构分析证实了成功的杂化，原纤维在温和合成条件下促进了BN成核、纤维生长和有序化。所得气凝胶具有低密度、良好的机械和热稳定性，同时表现出优异的隔音性能：声吸收系数高于0.8，声传输损耗达25-30 dB，优于许多传统轻质隔音材料。其高屏蔽效率与低密度的结合，使其在航空航天、运输等对重量敏感的领域具有应用前景。研究结论指出，BNAF气凝胶作为中等温度、重量敏感型降噪应用的有前途候选材料，其可调网络结构也为进一步优化性能（如添加表面皮层或多层组装）提供了机会。