自1931年Kistler开创性提出气凝胶概念以来，气凝胶相关研究呈现出蓬勃发展之势。作为一种具有三维固体网络和连续孔结构的关键纳米材料，气凝胶展现出超低密度、超高孔隙率、极高比表面积和极低热导率等一系列独特性能，已在材料科学、溶胶-凝胶化学、物理学以及生物学等多个学科中取得了显著进展。然而，气凝胶本征的机械脆性导致其结构和功能可设计性受限。3D打印技术突破了传统加工方法的局限，轻松实现气凝胶宏观形态定制化、多级结构可控化、功能组件集成化，赋予了气凝胶更优越的质能传输性能，并拓展了其在能源存储、热管理、催化、电磁屏蔽、冲击防护、环境治理、传感、生物工程等领域的高效应用。

中国科学院苏州纳米所张学同研究员团队长期致力于气凝胶的设计、制备及功能应用（Science,2023,382,1358-1359；Nature Water,2024,2,899-910；Nature Communications,2023,14,8450；Advanced Materials,2024,36,2406007；Advanced Materials,2024,36,2400101等）。团队在3D打印气凝胶方面开展了一系列代表性研究工作：采用了冷冻-直写3D打印技术首次实现了芳纶气凝胶的可打印性（Journal of Materials Chemistry A,2020,8,14243；Small Methods,2023,7,2300002），发展了微凝胶辅助3D打印技术实现了芳纶气凝胶的空间打印性（ACS Nano,2022,16,4905），提出了级联微流控3D打印技术实现了芳纶纳米纤维墨水的连续化打印成型（Advanced Materials,2024,36,2400101），并探索了打印的气凝胶在多功能改性、高速冲击防护、热防护、医用止血等领域的应用性能（Advanced Healthcare Materials,2023,12,2201591；Advanced Fiber Materials,2023,5,1050-1062；Chemical Engineering Journal,2023,462,142249）。

近期，团队发表了3D打印胶体气凝胶综述，旨在系统阐释这一交叉学科领域的最新进展。众所周知，气凝胶的合成方法可分为两类：一是以小分子前驱体为起始材料，经水解-缩合反应和干燥过程得到，二是以不同维度（0D、1D、2D）的纳米构筑单元为起始材料，通过分散-稳定-失稳过程和干燥过程得到。该综述首先根据起始材料和组装策略的不同，将前者制得的气凝胶定义为“分子气凝胶”，而将后者定义为“胶体气凝胶”（图1）。与分子气凝胶相比，胶体气凝胶有以下优势：（1）胶体气凝胶的动态溶胶-凝胶转变更容易与目前湿法成型工艺相兼容；（2）纳米构筑单元种类丰富，具有多种尺寸、形状、组成和性能，选择范围广；（3）纳米构筑单元能够借助现有的凝胶化策略轻松实现溶胶-凝胶转变。 

图1. （a）分子气凝胶与胶体气凝胶的组装策略。(b) 传统湿法成型工艺中分子气凝胶和胶体气凝胶的动态溶胶-凝胶转变示意图

随后，该综述首次从胶体化学的角度深入总结了3D打印胶体气凝胶的最新进展，包括发展时间线、关键工序、打印策略、种类、限域功能化、性能、应用（图2）。

图2. 3D打印胶体气凝胶的关键工序、种类、限域功能化及应用

特别地，该综述详细阐述了直写3D打印过程中（墨水在针头中的顺利挤出过程和挤出后的成型过程）的打印热力学与动力学（图3）；根据墨水溶胶-凝胶转变发生的时间点，将打印过程分为溶胶打印、溶胶-凝胶打印和凝胶打印（图4），并系统总结了各个打印策略的优缺点；此外，探讨了3D打印胶体气凝胶的限域功能化设计策略（图5）。

图3. 直写成型3D打印过程的打印热力学和动力学

图4. 溶胶打印、溶胶-凝胶打印和凝胶打印制备胶体气凝胶

图5. 3D打印胶体气凝胶限域功能化材料设计原则

最后，该综述在如何实现超高速打印、如何实现多组分打印、如何实现全连续打印，以及应用导向的气凝胶结构/性能协同设计、机器学习方面等进行了展望，以期为相关研究人员提供新的灵感（图6）。

图6. 3D打印胶体气凝胶的当前挑战和未来机遇

该综述文章以3D Printed Colloidal Aerogels: Principle,Process,Performance,and Perspective为题发表在国际期刊Progress in Materials Science上，中国科学院苏州纳米所程青青副研究员为论文第一作者，张学同研究员为论文通讯作者，该工作获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及苏州市科技计划等资助。

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