祖國慶：科研為槳 乘風破浪

王艷敏

祖國慶在日本留影

當今社會，隨著工業的發展及能源的利用，對高效保溫隔熱材料的需求越來越迫切。如LNG（Liquefied Natural Gas）船作為一種“海上超級冷凍車”，需在-163℃低溫下運輸易揮發和易燃的液化氣，這就對低溫隔熱材料提出了很高的要求。此外，隨著航空航天領域的發展，運載火箭液氫儲罐、探測器的低溫隔熱、航天器的高溫隔熱等需求也不斷增加。在建筑領域，建筑能耗占社會總能耗的比重很大，而寒冬外墻和玻璃的熱量散失是其中一項重要因素。因此輕質、高效的建筑保溫隔熱材料的研究對建筑節能具有重要意義……種種需求表明，研發高效隔熱材料已迫在眉睫。作為世界上最輕的固體——氣凝膠因其超輕的重量也被稱為“凍結的煙霧”，是一種通常采用溶膠-凝膠方法結合特殊的干燥工藝制備得到的多孔材料。它的熱導率極低，具有超級隔熱性能，甚至能承受住1000℃的火焰噴射。氣凝膠獨特的納米多孔結構使其具有優異的隔熱、吸附、催化等性能，在保溫隔熱、吸附、分離、儲能、催化等領域具有良好的應用前景，被譽為“改變世界的神奇材料”。然而，傳統的氣凝膠存在機械強度低、熱穩定性差等問題，其實際應用受到很大的限制。如何有效解決這些問題，進一步促進氣凝膠的應用，同濟大學材料科學與工程學院高層次青年人才祖國慶一直在思考著。

與同濟大學的不解之緣

2008年，對中國來說，是一個特殊的年份。那一年，有傷痛，也有喜悅：南方大雪災、汶川大地震、北京奧運會成功舉辦、“神舟”七號飛船飛天……回顧這些不平凡的經歷，足以令無數中國人感慨萬千。對于祖國慶來說，2008年更多的是驚喜與未知。因為就是在那一年，他順利考取了同濟大學材料物理與化學專業并進行碩士階段的學習。自此，他與同濟大學結下了不解之緣：2011年碩士畢業后，祖國慶繼續在同濟大學攻讀凝聚態物理專業的博士學位；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，那再幸運不過，但遇到失望也不可怕，因為裂痕是光透過來的地方！祖國慶至今記得讀博的時候，他的課題組參與了一個項目，主要任務是進行耐高溫超級隔熱材料的研發。為了找到合適的氣凝膠材料，課題組進行了各種嘗試，可仍然沒有實質性的突破。雖然大家都有點灰心，但還是沒有放棄。終于在項目進行的第三年，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。

為了開闊視野，提升科研水平，2016年，祖國慶以特定研究員的身份來到日本京都大學化學系進行學習交流?！叭毡驹跉饽z領域的研究在很多方面比我們要先進。這幾年的留學經歷，讓我更加堅定了自己的學術研究方向?！弊鎳鴳c說，此外，日本科研工作者的科研態度也讓他印象深刻。不論是教授還是學生，對待科學都十分嚴謹認真，他們經常加班加點，放棄休息時間，忘我地沉醉在實驗室里……

從攻讀碩士到出國學習，在那段漫漫的求學時光中，祖國慶參與完成了多項重要的科研項目。他就像一顆種子，努力地在科學的土壤中汲取營養，向上生長。雖然遭受了狂風暴雨，但他堅信，風雨過后，自己將變得更加堅強！

2019年，祖國慶重返母校，這次他不再是以一名學生而是以一名老師的身份出現在校園里。除了進行科研工作，他還承擔了一些教學任務，負責培養青年人才。他希望新一代的年輕人，能耐得住寂寞，有“坐冷板凳”的準備?！胺彩伦钆抡J真二字，科研工作也不例外。只要堅持下去，就一定會有收獲！”祖國慶說。

新型超彈性石墨烯氣凝膠助力環保和智能傳感

祖國慶從事納米多孔氣凝膠材料研究工作已有十余年的時間。經過不懈的探索，他發展了多種方法，合成了一系列新型氣凝膠材料，并研究了其超級隔熱、吸附、光催化、儲能、應變傳感等性能。他以第一作者或通訊作者在Angew. Chem.Int. Ed.、ACS Nano等權威SCI學術期刊發表論文20余篇，共被引用約1000次。他獲得授權中國發明專利4項，日本發明專利1項。此外，他還主持了多項科研項目，參與國家科技支撐計劃、國防專項等多項重大項目。憑借其杰出的貢獻，祖國慶獲得了上海特聘專家、上海市浦江人才、中國大學生創業計劃競賽金獎等多項榮譽或獎勵。

在祖國慶參與或主持的眾多項目中，不得不提的是“超彈性石墨烯/有機硅氧烷復合氣凝膠及其吸附、壓力和應變傳感研究”項目，這是他2019年回國后不久申請的，并被列入“上海市浦江人才計劃”。

祖國慶介紹說：“隨著當今科技和社會的快速發展，人們對環保、智能傳感等新材料的需求日益增長。近年來，石墨烯氣凝膠因其獨特的三維網絡結構以及極低的密度、極高的孔隙率、良好的導電性等性能而受到廣泛的關注。它們在能源存儲、催化、吸附、壓力和應變傳感等諸多領域展現出良好的應用前景。然而到目前為止，大部分已報道的石墨烯氣凝膠彈性和可彎曲性較差，這限制了其應用范圍?！?/p>

由此，祖國慶帶領項目組通過引入氨基硅烷作為交聯劑和還原劑，探索合適的偶聯復合、有機硅烷水解縮聚和自由基聚合等方法，合成氨基硅烷交聯的石墨烯復合氣凝膠，以及基于石墨烯和有機倍半硅氧烷（或聚烯基聚硅氧烷）的石墨烯復合氣凝膠，并研究其結構以及彈性、可彎曲性、疏水性、吸附和應變傳感等性能。

“通過選用合適的氨基硅烷并優化合成參數，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變/壓力傳感等優異性能的氨基硅烷交聯的石墨烯氣凝膠?！弊鎳鴳c解釋道，它與水的接觸角可達160°，密度低至1～5mg·cm-3，壓縮90%以上能夠完全反彈，熱導率極低，能夠實現油/染料/水的分離，可應用于節能環保領域。并且，基于該氣凝膠的柔性傳感陣列具有高的靈敏度和優異的耐潮濕性能，能夠探測0%～80%的應變范圍以及10Pa至10kPa的壓力范圍，可應用于壓力/應變傳感和柔性電子皮膚領域。

該項研究成果為柔性多孔材料的設計與合成提供了借鑒，并將促進吸附、壓力和應變傳感以及柔性電子器件的發展。

研發透明柔性氣凝膠超級隔熱材料

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絡結構和極小的粒徑和孔徑，這種結構有效地抑制了熱傳導，其熱導率可低至14～15mW·m?1·K?1。此外，氧化硅氣凝膠的這種結構有效減少了對可見光的散射，從而使其擁有良好的可見光透過性。因此，氧化硅氣凝膠是一種理想的透明、輕質超級隔熱材料，可用于窗戶、建筑頂棚、汽車、透明電子器件等領域的采光隔熱。然而，氧化硅氣凝膠的結構脆弱，機械強度低、易碎。另外，為了獲得多孔結構，氣凝膠通常需要超臨界干燥，制備過程耗能高，且不利于放大生產。以上兩個問題嚴重限制了氣凝膠的實際應用。

針對上述問題，祖國慶發展了一種合成透明柔性雙交聯氣凝膠的自由基聚合/水解縮聚雙交聯方法。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硅烷為前驅體，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特雙交聯結構的氣凝膠。通過提高自由基聚合的轉化率和聚合度，并調控水解縮聚反應，有效抑制了宏觀相分離，獲得了均勻的納米多孔結構。得益于其獨特的結構，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、可機械加工性以及超級隔熱性能。其中，聚乙烯聚甲基硅氧烷氣凝膠可采用簡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域權威媒體Aerogel.org Community的高度評價：“該工作克服了氣凝膠廣泛應用的主要障礙之一，即高昂的制造成本，可為其大規模應用鋪平道路?！绷硗?，該成果已在日本實現技術轉讓。

“一箭易斷，十箭難折。個人的力量通常是有限的，只有發揮團隊作用，才能真正在氣凝膠研究領域實現突破與發展?！弊鎳鴳c說，接下來，他將廣納賢才，積極籌建自己的項目團隊，并帶領伙伴們揚起夢想的風帆，在科學的海洋中一路乘風破浪，浩浩而行!