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  氣凝膠是一種具有多級、分形和無序結(jié)構(gòu)的納米多孔固體，具有極高比表面積，極低模量，極高透明度，極低熱導(dǎo)率和極低聲速等性質(zhì)，曾被《Science》期刊列為十大新興技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于吸附、隔熱、儲能等領(lǐng)域�！俺凇睔饽z因其輕質(zhì)和可集成功能，在復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中作為遮光材料的應(yīng)用潛力巨大。當(dāng)前，常見的超黑氣凝膠通常通過碳化過程制備，但這一過程存在一些問題：碳摻雜可能破壞材料結(jié)構(gòu)并增加脆性，制備工藝復(fù)雜且耗時(shí)長（需幾個(gè)小時(shí)），以及制備過程中伴隨碳排放，環(huán)保性較差。

  為解決這一問題，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院呂廣宏團(tuán)隊(duì)與謝勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院的孟獻(xiàn)才團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造性地利用高能高通量氦離子注入的方法，在數(shù)十秒內(nèi)快速制備了具有微米級仿生錐陣列和多個(gè)微腔結(jié)構(gòu)的黑色二氧化硅氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了顯著的消光效果。研究表明，該消光效果與錐陣列的高度密切相關(guān)，且可通過調(diào)節(jié)離子注入能量和劑量進(jìn)行優(yōu)化。具體而言，在40 keV、80s氦離子注入條件下，該氣凝膠在可見光區(qū)域的透射率約為3%，反射率約為2%。此外，該氣凝膠還表現(xiàn)出了優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，室溫下在1太陽能量密度照射下溫度可升至超過65℃。

  該工作以“Black Aerogel Based on Short-Time High-Flux He Ion Implantation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。北京航空航天大學(xué)博士研究生趙鵬、彭加官、Nyachieo Kennedy Momanyi為共同第一作者，謝勇副教授和程龍副教授為共同通訊作者。

氣凝膠薄膜的表面結(jié)構(gòu)

  參考自然界中部分鳥兒的羽毛通過倒鉤結(jié)構(gòu)的來實(shí)現(xiàn)黑色表面的案例，研究者利用高通量氦離子束流這把鋒利的“剪刀”在氣凝膠的表面進(jìn)行“修剪”，成功得到了如圖2所示的微米級尖錐陣列。結(jié)果表明，氣凝膠表面形成的尖椎高度隨著離子注入劑量和離子能量的增加而增加。在40 keV 80 s的離子注入條件下，氣凝膠表面的尖錐高度可以超過46 μm，這一數(shù)值與鳥類倒鉤結(jié)構(gòu)的尺寸相當(dāng)。此外，每個(gè)尖錐表面具有多尺寸分布的微腔結(jié)構(gòu)，并且在40 keV離子能量下形成的微腔尺寸要顯著高于在10 keV離子能量下形成的微腔尺寸。這種微腔結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)光在氣凝膠表面的散射過程，能夠盡可能的讓入射光“停”在氣凝膠薄膜的表面，從而降低透過率。

圖1 通過氦離子對二氧化硅氣凝膠表面改性實(shí)現(xiàn)的仿生結(jié)構(gòu)消光。設(shè)計(jì)靈感來源于自然界中蝴蝶翅膀、甲蟲殼和鳥羽毛等黑色表面結(jié)構(gòu)。

圖2. 不同氦離子注入條件下，氣凝膠表面形態(tài)的變化。隨著注入時(shí)間和離子能量增加，氣凝膠表面逐漸形成了更高、更復(fù)雜的錐形結(jié)構(gòu)。此外，通過Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM)軟件模擬，給出了計(jì)算的氦離子在氣凝膠中的穿透深度，與實(shí)驗(yàn)有較好的對應(yīng)。

氣凝膠薄膜的光學(xué)特性

  得益于形成的尖椎結(jié)構(gòu)和微腔結(jié)構(gòu)，硅基氣凝膠薄膜在離子注入后，其透過率和反射率均有明顯下降。在離子注入前，硅基氣凝膠薄膜在可見光波段的透過率和反射率分別約為94%和5%。在40 keV 80 s的離子注入條件下，氣凝膠薄膜的透過率和反射率分別下降至3%和2%，顏色也由透明（微藍(lán)色）轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏�。此外，在離子注入后，氣凝膠薄膜在紅外波段的透過率也有了明顯的下降。研究者在上述研究的基礎(chǔ)上，通過對氣凝膠的上下表面均施加離子注入，得到了在可見光波段透過率和反射率均約為1%的超黑氣凝膠薄膜。上述結(jié)果表明，高束流氦離子注入能夠顯著的減低氣凝膠在多個(gè)波段的透過率，是制備氣凝膠遮光材料的可選方案之一。

圖3. 原始?xì)饽z和黑氣凝膠在不同條件下的光透射率、反射率和吸收率。

氣凝膠薄膜的光熱轉(zhuǎn)換

  在前面的研究中，研究者可以發(fā)現(xiàn)離子注入后氣凝膠對光的吸收能力得到了明顯的增強(qiáng)。高光吸收率可能會(huì)引起高光熱轉(zhuǎn)換，因此研究者進(jìn)一步研究了離子注入后氣凝膠薄膜的光熱轉(zhuǎn)換能力。結(jié)果表明，在40 keV 80 s離子注入后的氣凝膠薄膜能夠在1個(gè)太陽能量密度（波長為300-800 nm）下，把表面溫度從室溫提高到65°C以上。這一數(shù)值與報(bào)道的碳?xì)饽z數(shù)值相當(dāng)，證明這種薄膜具有出色的光熱轉(zhuǎn)換能力。此外，將這種氣凝膠薄膜置于手上后，可以在0.5個(gè)太陽能量密度的條件下，將表面溫度升至超過50 ℃。這一數(shù)值要超過細(xì)胞的熱消融溫度（47 ℃），證明該薄膜在熱療領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景。值得一提的是，研究者提出的氦離子注入技術(shù)是一種表面改性技術(shù)，氣凝膠薄膜黑色層底下的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠較好的保留。因此，這種黑色表面的實(shí)現(xiàn)還保留了硅基氣凝膠的孔隙率、高比表面積、低密度等優(yōu)良性能。

圖4. 黑氣凝膠在不同條件下的光熱轉(zhuǎn)換性能。

  總結(jié)：區(qū)別于傳統(tǒng)碳化方法，本工作創(chuàng)新性地利用高通量氦離子注入的方法對氣凝膠表面進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)黑色遮光氣凝膠薄膜的構(gòu)筑。該消光效果并非由化學(xué)成分變化引起，而是源于與自然界中蝴蝶翅膀、鳥羽毛等黑色界面類似的光學(xué)機(jī)制，通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了深度黑色效果。該氣凝膠在實(shí)現(xiàn)“超黑”表面的同時(shí)，仍保持了硅氣凝膠的多孔性、高比表面積和低密度等優(yōu)異特性，具有出色的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱穩(wěn)定性，因此可應(yīng)用于光催化、光熱療法和隱身技術(shù)等領(lǐng)域。展望未來，這種黑色氣凝膠的制備方法有望推廣至其他氣凝膠系統(tǒng)，如碳?xì)饽z、纖維素氣凝膠和金屬氣凝膠，結(jié)合成分遮光和結(jié)構(gòu)遮光的優(yōu)勢，以更精確地調(diào)節(jié)超黑性能，為新型高性能黑色材料的開發(fā)提供了新途徑。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408995