在纳米纤维微观世界“精雕细琢”：东华大学团队20余载铸就国际领先成孔策略｜2024上海市科学技术奖

在科技飞速发展的今天，材料科学作为推动各领域进步的基石，正不断涌现出令人瞩目的创新成果。纳米纤维，这一先进低维材料，正以其独特的魅力和巨大的应用潜力，成为国家重大需求牵引下多孔材料的重要发展方向之一。由其构成的多孔材料，拥有丰富的多级孔结构，在高效吸附、高精过滤、高温隔热、宽频降噪等尖端领域展现出了非凡的应用前景。

纳米纤维多孔材料：研究困境与突破曙光

纳米纤维多孔材料的研究在世界范围内已持续近三十年。然而，这一领域的发展并非一帆风顺，孔结构精细成型难度大、成孔机理不明确等关键难题，如同坚固的壁垒，阻碍着材料充分发挥毛细芯吸、尺寸筛分、能量耗散等功能优势。如何高效制备纳米纤维多孔材料，成为了摆在科研人员面前的一道亟待攻克的难题。

东华大学教授丁彬领衔的研究团队，犹如一群勇敢的开拓者，在纳米纤维多孔材料这片充满挑战的领域深耕了20多年。他们凭借着坚定的信念和不懈的努力，在纳米纤维材料的成孔方法上实现了原始创新，为解决这一国际性难题带来了新的希望。

创新成孔策略：开启纳米纤维多孔材料新纪元

丁彬教授从事纳米纤维多孔材料研究已有25年，他形象地介绍道：“纳米纤维是像头发丝一样的纤维材料，但它的直径只有头发的百分之一乃至千分之一，肉眼根本看不见。用这种纳米尺度的纤维材料构建多维度、多尺度的孔结构，可控性差、难度极大。”

面对如此巨大的挑战，研究团队没有退缩，而是创新性提出了纳米纤维成孔新策略。通过这一策略，他们成功制备出了具有多维度、多尺度孔结构的高分子、陶瓷、碳纳米纤维多孔材料。这些材料犹如科技领域的璀璨明珠，各自散发着独特的光芒。

通体多孔的高强单纤维，具备出色的强度和独特的孔结构，为材料性能的提升开辟了新的途径；超小孔径的韧性网状材料，以其精细的孔径和良好的韧性，在特定领域展现出独特的优势；超高孔隙率的弹性纤维气凝胶，则凭借其超高的孔隙率和优异的弹性，成为众多应用场景的理想选择。这些材料可广泛应用于尖端武器高温隔热、电力装备吸音降噪、应急救援人员防护、氢能电池气液分离等领域，为相关行业的发展注入了强大的动力。丁教授自豪地表示：“目前，我们在纳米纤维多孔材料的研究上处于国际领先地位。”

“白活性炭”：吸附净化领域的革新力量

在单纤维中构建可控的通孔结构，是提升材料性能的关键一步。它可以大幅提升材料的比表面积，并显著增强材料的毛细芯吸作用。然而，现有多孔单纤维通常采用致孔剂后处理的多步成孔方法获得，这种方法存在孔道连通性差、孔尺寸难调控等问题。

丁彬教授的研究团队通过在直径仅为数百纳米的单纤维内精细“凿孔”，首次得到了像海绵一样的通体多孔一维纳米纤维，种类包括聚合物、陶瓷和碳材料。其中，制备的多孔陶瓷纳米纤维尤为引人注目。它可以耐1300℃的高温，且比表面积（＞1000m²/g）与活性炭相当，被团队亲切地称为“白活性炭”。

这种“白活性炭”具有耐高温、表面积大的显著优点，在化工废气、工业废水的吸附净化方面展现出巨大的优势。它能够有效吸附有机污染物，并通过高温煅烧去除有机污染物，理论上可以实现无限次回用。这一特性解决了当前活性炭无法再生、只能填埋处理的问题，避免了土地浪费和环境污染，具有极大的社会经济价值。

“纳米蛛网”：高性能过滤分离的先锋材料

静电纺纤维的平均直径多在100nm以上，由其堆积形成的材料孔径通常在1 - 3μm。如何进一步降低纤维直径以减小材料的孔径，成为提升材料气/固、气/液筛分传质性能的关键。

研究团队受到电影《蜘蛛侠》的启发，首次利用微小液滴直接“甩出”一张细小的网，创制出具有蜘蛛网状结构的二维超小网孔材料——“纳米蛛网”。这是目前已知最细小的网状材料，网孔直径只有100 - 200nm，是蜘蛛网的千分之一。

“纳米蛛网”对于细菌、病毒、微小颗粒物、微液滴等具有极高的过滤精度，是一种全新的高性能过滤分离材料。在半导体工业、现代养殖业的高精空气过滤，石油、化工产品的高效油水分离等领域，它都极具应用潜力，有望为这些行业的发展带来新的变革。

“冻豆腐”般纤维气凝胶：下一代隔热材料的理想之选

丁彬教授介绍，团队通过控制纳米冰晶的有序生长驱动纳米纤维排列组装，并去除纳米冰晶使纤维间成孔，得到了像冻豆腐一样、具有超高孔隙率的纳米纤维气凝胶，种类包括聚合物、陶瓷和碳材料。

其中，制备的陶瓷纳米纤维气凝胶更是创造了奇迹。它不仅打破了世界最轻固体材料的记录，在1300℃的高温下还展现出可拉伸/压缩的“形状记忆”特性，颠覆了传统陶瓷材料又脆又硬的形象。

这一创新成果引起了英国航天局总工程师的高度关注和评价，他认为陶瓷纳米纤维气凝胶是下一代隔热材料的最佳选择。在未来的航天器中，它可以在保证轻质高效隔热的同时，有效抵御剧烈的气动热冲击，为航天事业的发展提供全新的颠覆性解决方案。此外，陶瓷纳米纤维气凝胶还可广泛应用于新能源汽车的电池隔热垫、防火隔热毯，消防战斗服的高温隔热层，大飞机、高层建筑、冷库的防火保温层，潜艇、高铁的阻燃降噪层等领域，为保障人们的生命财产安全和改善生活环境发挥着重要作用。

荣誉加冕：激励科技工作者勇攀高峰

2024年度上海市科学技术奖近日正式颁发，东华大学丁彬教授等完成的“高效成孔策略创制纳米纤维多孔材料”项目荣获自然科学一等奖。这一荣誉不仅是对研究团队20多年辛勤付出的肯定，更是对他们在纳米纤维多孔材料领域卓越贡献的高度认可。

在建设国际科技创新中心的进程中，上海正激励着科技工作者为国担当、勇为尖兵。加快建设高水平人才高地，深化国际科技开放合作，加强国家战略科技力量建设，攻坚关键核心技术难题，推动科技创新与产业创新深度融合，这是上海在深化国家科创中心建设之路上的一道道时代命题。东华大学研究团队的成功，为上海乃至全国的科技工作者树立了榜样，他们用实际行动诠释了科技的力量和创新的价值。

展望未来，我们有理由相信，在科技工作者的不懈努力下，纳米纤维多孔材料将在更多领域得到广泛应用，为推动我国科技进步和产业发展做出更大的贡献。让我们共同期待科技领域更多的创新成果，为人类的美好未来增添绚丽的色彩。