在“双碳”目标与可持续发展战略的推动下，节能材料的开发已成为全球研究热点。气凝胶因其超轻质、高孔隙率和极低的热导率，被誉为“21世纪最具潜力的新材料”。然而，传统二氧化硅气凝胶存在脆性大、透明性差和加工困难等问题，限制了其在节能建筑、光电器件和航天防护等领域的广泛应用。

  近期，东华大学朱美芳院士与成艳华研究员团队通过巧妙调控溶胶–凝胶过程中的水解与缩合反应，提出了一种“活化–抑制”策略，成功开发出一系列流变性能可调的凝胶墨水。基于直写式打印技术，该团队实现了对透明气凝胶的高精度三维成型，所制备材料兼具优异的光学透明度（可见–近红外波段透过率达97%）和超低导热系数（16.2 mW·m^-1·K^-1）。该研究打破了传统溶胶–凝胶反应难以精准控制的限制，实现了墨水流变性能的可控设计，从而显著提升了其可打印性。该工作首次实现了透明气凝胶的三维可控打印，有效解决了成型困难、透明性与隔热性能难以兼顾等关键难题。

  相关研究成果以“Activation–retardation in sol–gel reactions for additive manufacturing of transparent poly(methylsilsesquioxane) aerogels”为题，发表于《Nature Communications》（Nature Communications 2025,16,8212）。

图1. 通过直接墨水书写策略制备3D打印透明气凝胶

  该团队基于所提出的“活化–抑制”策略，采用“酸-碱”双调节剂体系，实现了对溶胶–凝胶过程的精确调控。通过引入表面活性剂，不仅有效抑制了相分离，还调节了墨水的流变行为，为形成均匀纳米结构提供了保障。如图2所示，该工作对凝胶墨水的流变性能进行了系统表征，结果表明，基于该策略制备的墨水具有可调的黏度、显著的剪切变稀特性以及良好的触变性，这些特性共同保证了材料在3D打印过程中具备优异的可打印性和成型稳定性。

图2. 可打印凝胶墨水的流变性能

  研究团队采用所开发的凝胶墨水，成功实现了高精度复杂结构的3D打印。图3展示了通过直写式打印技术制备的PMSQ气凝胶的微观结构及相关性能。显微结构分析表明，打印的气凝胶内部呈现出均匀的纳米骨架（约5 nm）以及介孔网络结构（约23 nm），这一精细结构为其同时具备低热导率和高透光率提供了关键材料基础。

图3. 3D打印透明气凝胶的形貌、微观结构及性能

  具备纳米级骨架与孔结构的气凝胶展现出优异的光学透过性和卓越的隔热性能。如图4所示，该气凝胶在可见光-近红外波段透过率高达97%，显示出良好的透明性。当红色激光穿透气凝胶时，几乎未观察到明显的光偏折和能量损失，这主要归因于其纳米级骨架尺寸显著降低了光散射效应。此外，气凝胶的高孔隙率和低密度（0.08 g·cm^-3）有效抑制了热传导和对流传热。同时，二氧化硅材料本身的高消光特性也有助于降低辐射热导率。综上所述，所制备的气凝胶具备出色的隔热性能，其热导率低至16.2 mW·m^-1·K^-1，远低于空气的热导率。在实际应用中，该气凝胶在建筑节能窗、电子元件隔热保护及植物工厂光热管理等方面显示出广阔的应用潜力。例如，作为窗户中间层可同时实现自然采光与高效隔热，用于电容器封装时能有效控制表面温升，而作为植物生长灯的灯罩材料则可在保持高透光的同时阻隔热量传递。这些结果表明，该透明隔热气凝胶在节能建筑、电子设备及光学元件等领域具有重要的应用前景。

图4. 透明气凝胶的透明性与隔热性能及其在不同应用场景中的应用

  综上所述，本研究提出的“活化–抑制”策略成功实现了透明PMSQ气凝胶的直写式3D打印，在材料制备工艺与综合性能方面均取得了显著进展。该工作为高透光、高隔热气凝胶的可控制备提供了创新性的方法，有效解决了气凝胶在复杂结构成型与多功能协同集成方面的关键挑战。所开发的气凝胶材料在节能建筑、电子器件热防护及光热管理等领域展现出广阔的应用前景。

  该工作得到了国家重点研发计划项目（2021YFB3701600）、国家自然科学基金项目（52273031）、中央高校基本科研业务费专项基金项目（2232024Y-01，2232025G-07）、东华大学先进纤维材料全国重点实验室资助。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63356-8