祖國(guó)慶：科研為槳 乘風(fēng)破浪

王艷敏

祖國(guó)慶在日本留影

當(dāng)今社會(huì)，隨著工業(yè)的發(fā)展及能源的利用，對(duì)高效保溫隔熱材料的需求越來(lái)越迫切。如LNG（Liquefied Natural Gas）船作為一種“海上超級(jí)冷凍車(chē)”，需在-163℃低溫下運(yùn)輸易揮發(fā)和易燃的液化氣，這就對(duì)低溫隔熱材料提出了很高的要求。此外，隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，運(yùn)載火箭液氫儲(chǔ)罐、探測(cè)器的低溫隔熱、航天器的高溫隔熱等需求也不斷增加。在建筑領(lǐng)域，建筑能耗占社會(huì)總能耗的比重很大，而寒冬外墻和玻璃的熱量散失是其中一項(xiàng)重要因素。因此輕質(zhì)、高效的建筑保溫隔熱材料的研究對(duì)建筑節(jié)能具有重要意義……種種需求表明，研發(fā)高效隔熱材料已迫在眉睫。作為世界上最輕的固體——?dú)饽z因其超輕的重量也被稱(chēng)為“凍結(jié)的煙霧”，是一種通常采用溶膠-凝膠方法結(jié)合特殊的干燥工藝制備得到的多孔材料。它的熱導(dǎo)率極低，具有超級(jí)隔熱性能，甚至能承受住1000℃的火焰噴射。氣凝膠獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的隔熱、吸附、催化等性能，在保溫隔熱、吸附、分離、儲(chǔ)能、催化等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“改變世界的神奇材料”。然而，傳統(tǒng)的氣凝膠存在機(jī)械強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，其實(shí)際應(yīng)用受到很大的限制。如何有效解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步促進(jìn)氣凝膠的應(yīng)用，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高層次青年人才祖國(guó)慶一直在思考著。

與同濟(jì)大學(xué)的不解之緣

2008年，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)特殊的年份。那一年，有傷痛，也有喜悅：南方大雪災(zāi)、汶川大地震、北京奧運(yùn)會(huì)成功舉辦、“神舟”七號(hào)飛船飛天……回顧這些不平凡的經(jīng)歷，足以令無(wú)數(shù)中國(guó)人感慨萬(wàn)千。對(duì)于祖國(guó)慶來(lái)說(shuō)，2008年更多的是驚喜與未知。因?yàn)榫褪窃谀且荒?，他順利考取了同?jì)大學(xué)材料物理與化學(xué)專(zhuān)業(yè)并進(jìn)行碩士階段的學(xué)習(xí)。自此，他與同濟(jì)大學(xué)結(jié)下了不解之緣：2011年碩士畢業(yè)后，祖國(guó)慶繼續(xù)在同濟(jì)大學(xué)攻讀凝聚態(tài)物理專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位；2014年，他又在母校從事博士后研究。

科研的道路上，如果遇到的全是希望，那再幸運(yùn)不過(guò)，但遇到失望也不可怕，因?yàn)榱押凼枪馔高^(guò)來(lái)的地方！祖國(guó)慶至今記得讀博的時(shí)候，他的課題組參與了一個(gè)項(xiàng)目，主要任務(wù)是進(jìn)行耐高溫超級(jí)隔熱材料的研發(fā)。為了找到合適的氣凝膠材料，課題組進(jìn)行了各種嘗試，可仍然沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破。雖然大家都有點(diǎn)灰心，但還是沒(méi)有放棄。終于在項(xiàng)目進(jìn)行的第三年，他們合成了一種耐高溫氣凝膠材料。這種材料不僅可以經(jīng)受住1200℃以上的高溫，而且還具有很好的隔熱效果。以此為突破口，課題組最終成功完成了科研任務(wù)。

為了開(kāi)闊視野，提升科研水平，2016年，祖國(guó)慶以特定研究員的身份來(lái)到日本京都大學(xué)化學(xué)系進(jìn)行學(xué)習(xí)交流?！叭毡驹跉饽z領(lǐng)域的研究在很多方面比我們要先進(jìn)。這幾年的留學(xué)經(jīng)歷，讓我更加堅(jiān)定了自己的學(xué)術(shù)研究方向?！弊鎳?guó)慶說(shuō)，此外，日本科研工作者的科研態(tài)度也讓他印象深刻。不論是教授還是學(xué)生，對(duì)待科學(xué)都十分嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，他們經(jīng)常加班加點(diǎn)，放棄休息時(shí)間，忘我地沉醉在實(shí)驗(yàn)室里……

從攻讀碩士到出國(guó)學(xué)習(xí)，在那段漫漫的求學(xué)時(shí)光中，祖國(guó)慶參與完成了多項(xiàng)重要的科研項(xiàng)目。他就像一顆種子，努力地在科學(xué)的土壤中汲取營(yíng)養(yǎng)，向上生長(zhǎng)。雖然遭受了狂風(fēng)暴雨，但他堅(jiān)信，風(fēng)雨過(guò)后，自己將變得更加堅(jiān)強(qiáng)！

2019年，祖國(guó)慶重返母校，這次他不再是以一名學(xué)生而是以一名老師的身份出現(xiàn)在校園里。除了進(jìn)行科研工作，他還承擔(dān)了一些教學(xué)任務(wù)，負(fù)責(zé)培養(yǎng)青年人才。他希望新一代的年輕人，能耐得住寂寞，有“坐冷板凳”的準(zhǔn)備?！胺彩伦钆抡J(rèn)真二字，科研工作也不例外。只要堅(jiān)持下去，就一定會(huì)有收獲！”祖國(guó)慶說(shuō)。

新型超彈性石墨烯氣凝膠助力環(huán)保和智能傳感

祖國(guó)慶從事納米多孔氣凝膠材料研究工作已有十余年的時(shí)間。經(jīng)過(guò)不懈的探索，他發(fā)展了多種方法，合成了一系列新型氣凝膠材料，并研究了其超級(jí)隔熱、吸附、光催化、儲(chǔ)能、應(yīng)變傳感等性能。他以第一作者或通訊作者在Angew. Chem.Int. Ed.、ACS Nano等權(quán)威SCI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇，共被引用約1000次。他獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，日本發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。此外，他還主持了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，參與國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)防專(zhuān)項(xiàng)等多項(xiàng)重大項(xiàng)目。憑借其杰出的貢獻(xiàn)，祖國(guó)慶獲得了上海特聘專(zhuān)家、上海市浦江人才、中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽金獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)或獎(jiǎng)勵(lì)。

在祖國(guó)慶參與或主持的眾多項(xiàng)目中，不得不提的是“超彈性石墨烯/有機(jī)硅氧烷復(fù)合氣凝膠及其吸附、壓力和應(yīng)變傳感研究”項(xiàng)目，這是他2019年回國(guó)后不久申請(qǐng)的，并被列入“上海市浦江人才計(jì)劃”。

祖國(guó)慶介紹說(shuō)：“隨著當(dāng)今科技和社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)保、智能傳感等新材料的需求日益增長(zhǎng)。近年來(lái)，石墨烯氣凝膠因其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及極低的密度、極高的孔隙率、良好的導(dǎo)電性等性能而受到廣泛的關(guān)注。它們?cè)谀茉创鎯?chǔ)、催化、吸附、壓力和應(yīng)變傳感等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而到目前為止，大部分已報(bào)道的石墨烯氣凝膠彈性和可彎曲性較差，這限制了其應(yīng)用范圍?！?/p>

由此，祖國(guó)慶帶領(lǐng)項(xiàng)目組通過(guò)引入氨基硅烷作為交聯(lián)劑和還原劑，探索合適的偶聯(lián)復(fù)合、有機(jī)硅烷水解縮聚和自由基聚合等方法，合成氨基硅烷交聯(lián)的石墨烯復(fù)合氣凝膠，以及基于石墨烯和有機(jī)倍半硅氧烷（或聚烯基聚硅氧烷）的石墨烯復(fù)合氣凝膠，并研究其結(jié)構(gòu)以及彈性、可彎曲性、疏水性、吸附和應(yīng)變傳感等性能。

“通過(guò)選用合適的氨基硅烷并優(yōu)化合成參數(shù)，我們獲得了具有高比表面積、超疏水、超低密度、超彈性、高效隔熱、有效的三組分分離和高靈敏度的應(yīng)變/壓力傳感等優(yōu)異性能的氨基硅烷交聯(lián)的石墨烯氣凝膠。”祖國(guó)慶解釋道，它與水的接觸角可達(dá)160°，密度低至1～5mg·cm-3，壓縮90%以上能夠完全反彈，熱導(dǎo)率極低，能夠?qū)崿F(xiàn)油/染料/水的分離，可應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域。并且，基于該氣凝膠的柔性傳感陣列具有高的靈敏度和優(yōu)異的耐潮濕性能，能夠探測(cè)0%～80%的應(yīng)變范圍以及10Pa至10kPa的壓力范圍，可應(yīng)用于壓力/應(yīng)變傳感和柔性電子皮膚領(lǐng)域。

該項(xiàng)研究成果為柔性多孔材料的設(shè)計(jì)與合成提供了借鑒，并將促進(jìn)吸附、壓力和應(yīng)變傳感以及柔性電子器件的發(fā)展。

研發(fā)透明柔性氣凝膠超級(jí)隔熱材料

目前研究最為廣泛和最為成熟的氣凝膠是氧化硅氣凝膠，它具有均勻的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和極小的粒徑和孔徑，這種結(jié)構(gòu)有效地抑制了熱傳導(dǎo)，其熱導(dǎo)率可低至14～15mW·m?1·K?1。此外，氧化硅氣凝膠的這種結(jié)構(gòu)有效減少了對(duì)可見(jiàn)光的散射，從而使其擁有良好的可見(jiàn)光透過(guò)性。因此，氧化硅氣凝膠是一種理想的透明、輕質(zhì)超級(jí)隔熱材料，可用于窗戶、建筑頂棚、汽車(chē)、透明電子器件等領(lǐng)域的采光隔熱。然而，氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)脆弱，機(jī)械強(qiáng)度低、易碎。另外，為了獲得多孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠通常需要超臨界干燥，制備過(guò)程耗能高，且不利于放大生產(chǎn)。以上兩個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重限制了氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，祖國(guó)慶發(fā)展了一種合成透明柔性雙交聯(lián)氣凝膠的自由基聚合/水解縮聚雙交聯(lián)方法。采用該方法，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機(jī)硅烷為前驅(qū)體，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獨(dú)特雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)的氣凝膠。通過(guò)提高自由基聚合的轉(zhuǎn)化率和聚合度，并調(diào)控水解縮聚反應(yīng)，有效抑制了宏觀相分離，獲得了均勻的納米多孔結(jié)構(gòu)。得益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，所得氣凝膠具有低密度、透明、高比表面積、高可壓縮性、可彎曲性、可機(jī)械加工性以及超級(jí)隔熱性能。其中，聚乙烯聚甲基硅氧烷氣凝膠可采用簡(jiǎn)便的常壓干燥制備得到，并且具有良好的彎曲柔性。這一成果得到了氣凝膠領(lǐng)域權(quán)威媒體Aerogel.org Community的高度評(píng)價(jià)：“該工作克服了氣凝膠廣泛應(yīng)用的主要障礙之一，即高昂的制造成本，可為其大規(guī)模應(yīng)用鋪平道路?！绷硗?，該成果已在日本實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

“一箭易斷，十箭難折。個(gè)人的力量通常是有限的，只有發(fā)揮團(tuán)隊(duì)作用，才能真正在氣凝膠研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破與發(fā)展。”祖國(guó)慶說(shuō)，接下來(lái)，他將廣納賢才，積極籌建自己的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，并帶領(lǐng)伙伴們揚(yáng)起夢(mèng)想的風(fēng)帆，在科學(xué)的海洋中一路乘風(fēng)破浪，浩浩而行!