近日，材料科学与艺术设计学院张晓涛教授团队在生物质仿生气凝胶孔结构精细调控领域取得重要研究进展。相关成果以《Inspired by the structure of biological fish scales: Controlled preparation of high-performance anisotropic aerogels via stress-induced phase separation using ice templates》为题，发表于工程技术领域国际权威期刊 《Chemical Engineering Journal》。该论文以我校为唯一完成单位，张晓涛教授与王喜明教授为共同通讯作者，理学院硕士研究生白钰为第一作者。

如何实现仿生气凝胶孔道结构的精准调控，是功能材料领域的研究重点。受生物“鱼鳞”有序结构启发，团队以天然生物质纤维素与芳纶纤维为复合基体，提出“定向冷冻+诱导相分离”协同策略，成功构筑了孔径比均一、孔道定向排列的结构，为各向异性气凝胶的可控制备提供了新思路。研究发现：冷冻过程中，冰晶沿纵、横双向生长，交汇处形成约45°倾斜结构；高刚度的芳纶纳米纤维与纤维素在冻结中差异化收缩，芳纶纳米纤维通过定向迁移释放应力，诱导周围形成富聚乙烯吡咯烷酮（PVP）相，引发液-液相分离。上述协同作用使孔隙形成向外凹陷形态，在微观尺度重现“鱼鳞状”排列特征（图1）。

图 1 “鱼鳞”仿生气凝胶的制备流程及其机理

扫描电镜（图2）显示：不含芳纶纳米纤维（ANF）时，气凝胶孔道呈层状但孔径不一、分布不均；引入ANF后，孔隙结构转为规则排列。机理分析表明，ANF沿冰晶生长反方向迁移，促使PVP富集，逐步形成鱼鳞状多孔结构。得益于ANF分子尺度的高度均一性，孔道尺寸一致性良好，为仿生功能材料的规模化应用奠定了理论基础。

图 2 扫描电子显微镜图像

在0–6400 Hz范围内，气凝胶吸声系数随频率升高而增大（图3）。其中CPF于2224 Hz处达最高吸声系数0.9902，PF于6280 Hz处为0.9709。此外，气凝胶正反面吸声性能差异显著，呈现各向异性吸声特性，可实现定制化的声学调控。该结果可为航空航天、建筑隔音、汽车降噪等领域的高性能隔声材料提供新的技术路径。

图 3 吸声性能

隔热性能（图4）：160°C加热20分钟后，PF、CPF和DSCPF表面温度分别稳定于51.8°C、53.3°C、53.6°C，热导率分别为0.04165、0.04397、0.0548 W/(m·K)。隔热机制归因于多重热传递路径的协同抑制：高曲折骨架延长固体热传导、微纳孔隙限制气态传导、半封闭空间抑制对流、多界面结构散射吸收红外辐射。研究结果表明，该仿生气凝胶材料兼具隔音与隔热功能，具备多功能集成的应用潜力。

图 4 隔热性能

基于鱼鳞仿生、应力诱导相分离及冰模板定向冷冻技术，本研究系统性揭示了气凝胶孔结构精细调控的新机制，所制得的高性能各向异性气凝胶将会在高端建筑节能、精密仪器减振降噪、航空航天热防护等领域具有广阔应用前景。研究成果得到内蒙古自然科学基金（2025MS03108）、中央引导地方科技发展基金项目（2022ZY0066）、内蒙古自治区大学生创新创业训练计划项目（202510129030, 202510129020）的资助与支持。