近日，清華大學伍暉教授聯合北京大學韋小丁教授、南京大學朱嘉教授和中北大學李偉偉副教授等合作在多孔低維材料組裝體的制備上取得了重要進展，發展了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過將低維材料漿料冷凍在旋轉的低溫滾筒表面上后將其粉碎，然后將碎冰與漿料混合重新冷凍鑄造來大規模制備一種各向同性氣凝膠。高冷凍速率的旋轉滾筒冷凍和碎冰加入后的形成的多冰核生長位點能夠有效提高冷凍效率，從而提高了大尺寸多孔結構材料的制備效率。該方法適用于多種低維材料，為多孔結構材料的大尺寸生產提供了新思路和新機遇。相關研究成果以《基于柱狀晶到等軸晶轉變的各向同性納米纖維氣凝膠的大規模組裝》為題，發表于《自然-通訊》期刊。
冰模板法常用于在多孔結構材料的制備中實現精確的結構控制。對于傳統的定向冷凍鑄造工藝，冰晶傾向于在低溫區附近形核并沿著溫度梯度方向生長成柱狀晶，而當制備大尺寸樣品時，伴隨著冷凍過程中溫度梯度的消失和熱傳遞的減少，冰晶生長將逐漸減慢甚至停止，從而嚴重限制了多孔結構材料的制備效率和厚度尺度。目前對于冷凍鑄造過程中的形核位置少和生長效率低的問題仍有待解決。并且對于冰模板法制備的多孔隔熱材料，定向冷凍得到各向異性結構中的中空管道將成為熱、電子或聲學傳輸的“高速公路”。為了達到更好的隔熱性能，目前也引入了多種策略來調節冰模板法中的微觀結構形成。
該團隊通過人工引入的碎冰在漿料中增加了冰晶的生長位點，并改變了傳統冷凍鑄造過程中單一的溫度梯度，所有預先存在的和隨機分布的冰晶都可以作為原始生長點，相鄰的冰晶將在沒有有利位置或取向的情況下無規則生長，從而實現了冷凍過程中沿著溫度梯度的柱狀冰晶向等軸冰晶的轉變。等軸冰晶的高度隨機堆疊將納米纖維組裝成具有拓撲結構曲折通道的重復微尺度單元，形成的曲折和復雜的孔隙結構將成為熱、電子或聲學傳輸的有效屏障。隨后研究團隊以Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠為研究對象來研究碎冰模板法的結構設計。由于形成了各向同性的胞腔結構，所獲得的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠表現出低密度、超彈性、良好的耐損傷性和抗疲勞性，以及超低的熱導率。此外，在光學和熱導率方面也觀察到顯著的結構各向同性。基于上述氣凝膠良好的機械柔性、高溫穩定性和低熱導率，高能量密度電池模塊中的破壞性熱失控傳播過程可以被Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠層有效阻擋。并且氣凝膠的低密度使得整個系統的重量增加可以忽略不計，因此該氣凝膠有望在各種熱保護場景中發揮巨大潛力。