在納米纖維微觀世界“精雕細琢”：東華大學團隊20余載鑄就國際領先成孔策略｜2024上海市科學技術獎

在科技飛速發展的今天，材料科學作為推動各領域進步的基石，正不斷涌現出令人矚目的創新成果。納米纖維，這一先進低維材料，正以其獨特的魅力和巨大的應用潛力，成為國家重大需求牽引下多孔材料的重要發展方向之一。由其構成的多孔材料，擁有豐富的多級孔結構，在高效吸附、高精過濾、高溫隔熱、寬頻降噪等尖端領域展現出了非凡的應用前景。

納米纖維多孔材料：研究困境與突破曙光

納米纖維多孔材料的研究在世界范圍內已持續近三十年。然而，這一領域的發展并非一帆風順，孔結構精細成型難度大、成孔機理不明確等關鍵難題，如同堅固的壁壘，阻礙著材料充分發揮毛細芯吸、尺寸篩分、能量耗散等功能優勢。如何高效制備納米纖維多孔材料，成為了擺在科研人員面前的一道亟待攻克的難題。

東華大學教授丁彬領銜的研究團隊，猶如一群勇敢的開拓者，在納米纖維多孔材料這片充滿挑戰的領域深耕了20多年。他們憑借著堅定的信念和不懈的努力，在納米纖維材料的成孔方法上實現了原始創新，為解決這一國際性難題帶來了新的希望。

創新成孔策略：開啟納米纖維多孔材料新紀元

丁彬教授從事納米纖維多孔材料研究已有25年，他形象地介紹道：“納米纖維是像頭發絲一樣的纖維材料，但它的直徑只有頭發的百分之一乃至千分之一，肉眼根本看不見。用這種納米尺度的纖維材料構建多維度、多尺度的孔結構，可控性差、難度極大。”

面對如此巨大的挑戰，研究團隊沒有退縮，而是創新性提出了納米纖維成孔新策略。通過這一策略，他們成功制備出了具有多維度、多尺度孔結構的高分子、陶瓷、碳納米纖維多孔材料。這些材料猶如科技領域的璀璨明珠，各自散發著獨特的光芒。

通體多孔的高強單纖維，具備出色的強度和獨特的孔結構，為材料性能的提升開辟了新的途徑；超小孔徑的韌性網狀材料，以其精細的孔徑和良好的韌性，在特定領域展現出獨特的優勢；超高孔隙率的彈性纖維氣凝膠，則憑借其超高的孔隙率和優異的彈性，成為眾多應用場景的理想選擇。這些材料可廣泛應用于尖端武器高溫隔熱、電力裝備吸音降噪、應急救援人員防護、氫能電池氣液分離等領域，為相關行業的發展注入了強大的動力。丁教授自豪地表示：“目前，我們在納米纖維多孔材料的研究上處于國際領先地位。”

“白活性炭”：吸附凈化領域的革新力量

在單纖維中構建可控的通孔結構，是提升材料性能的關鍵一步。它可以大幅提升材料的比表面積，并顯著增強材料的毛細芯吸作用。然而，現有多孔單纖維通常采用致孔劑后處理的多步成孔方法獲得，這種方法存在孔道連通性差、孔尺寸難調控等問題。

丁彬教授的研究團隊通過在直徑僅為數百納米的單纖維內精細“鑿孔”，首次得到了像海綿一樣的通體多孔一維納米纖維，種類包括聚合物、陶瓷和碳材料。其中，制備的多孔陶瓷納米纖維尤為引人注目。它可以耐1300℃的高溫，且比表面積（＞1000m2/g）與活性炭相當，被團隊親切地稱為“白活性炭”。

這種“白活性炭”具有耐高溫、表面積大的顯著優點，在化工廢氣、工業廢水的吸附凈化方面展現出巨大的優勢。它能夠有效吸附有機污染物，并通過高溫煅燒去除有機污染物，理論上可以實現無限次回用。這一特性解決了當前活性炭無法再生、只能填埋處理的問題，避免了土地浪費和環境污染，具有極大的社會經濟價值。

“納米蛛網”：高性能過濾分離的先鋒材料

靜電紡纖維的平均直徑多在100nm以上，由其堆積形成的材料孔徑通常在1 - 3μm。如何進一步降低纖維直徑以減小材料的孔徑，成為提升材料氣/固、氣/液篩分傳質性能的關鍵。

研究團隊受到電影《蜘蛛俠》的啟發，首次利用微小液滴直接“甩出”一張細小的網，創制出具有蜘蛛網狀結構的二維超小網孔材料——“納米蛛網”。這是目前已知最細小的網狀材料，網孔直徑只有100 - 200nm，是蜘蛛網的千分之一。

“納米蛛網”對于細菌、病毒、微小顆粒物、微液滴等具有極高的過濾精度，是一種全新的高性能過濾分離材料。在半導體工業、現代養殖業的高精空氣過濾，石油、化工產品的高效油水分離等領域，它都極具應用潛力，有望為這些行業的發展帶來新的變革。

“凍豆腐”般纖維氣凝膠：下一代隔熱材料的理想之選

丁彬教授介紹，團隊通過控制納米冰晶的有序生長驅動納米纖維排列組裝，并去除納米冰晶使纖維間成孔，得到了像凍豆腐一樣、具有超高孔隙率的納米纖維氣凝膠，種類包括聚合物、陶瓷和碳材料。

其中，制備的陶瓷納米纖維氣凝膠更是創造了奇跡。它不僅打破了世界最輕固體材料的記錄，在1300℃的高溫下還展現出可拉伸/壓縮的“形狀記憶”特性，顛覆了傳統陶瓷材料又脆又硬的形象。

這一創新成果引起了英國航天局總工程師的高度關注和評價，他認為陶瓷納米纖維氣凝膠是下一代隔熱材料的最佳選擇。在未來的航天器中，它可以在保證輕質高效隔熱的同時，有效抵御劇烈的氣動熱沖擊，為航天事業的發展提供全新的顛覆性解決方案。此外，陶瓷納米纖維氣凝膠還可廣泛應用于新能源汽車的電池隔熱墊、防火隔熱毯，消防戰斗服的高溫隔熱層，大飛機、高層建筑、冷庫的防火保溫層，潛艇、高鐵的阻燃降噪層等領域，為保障人們的生命財產安全和改善生活環境發揮著重要作用。

榮譽加冕：激勵科技工作者勇攀高峰

2024年度上海市科學技術獎近日正式頒發，東華大學丁彬教授等完成的“高效成孔策略創制納米纖維多孔材料”項目榮獲自然科學一等獎。這一榮譽不僅是對研究團隊20多年辛勤付出的肯定，更是對他們在納米纖維多孔材料領域卓越貢獻的高度認可。

在建設國際科技創新中心的進程中，上海正激勵著科技工作者為國擔當、勇為尖兵。加快建設高水平人才高地，深化國際科技開放合作，加強國家戰略科技力量建設，攻堅關鍵核心技術難題，推動科技創新與產業創新深度融合，這是上海在深化國家科創中心建設之路上的一道道時代命題。東華大學研究團隊的成功，為上海乃至全國的科技工作者樹立了榜樣，他們用實際行動詮釋了科技的力量和創新的價值。

展望未來，我們有理由相信，在科技工作者的不懈努力下，納米纖維多孔材料將在更多領域得到廣泛應用，為推動我國科技進步和產業發展做出更大的貢獻。讓我們共同期待科技領域更多的創新成果，為人類的美好未來增添絢麗的色彩。