密度比空氣還小，它就是保暖隔熱神器！

在人類歷史發(fā)展的過程中，新材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明對人類文明起到了至關(guān)重要的推動作用，目前對人類歷史的一種粗略劃分方式就是以材料名稱劃分的：石器時代，青銅時代和鐵器時代。

進入20世紀以來，人類科技的快速發(fā)展也讓新材料層出不窮，最近有一種材料創(chuàng)下了15項“世界之最”，其最耀眼的性能就是超輕與隔熱，并因此在各個工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了令人驚嘆的應(yīng)用潛力，這種物質(zhì)就是氣凝膠。

一塊二氧化硅氣凝膠 （圖片來源：Wikipedia）

氣凝膠最近的一項重要應(yīng)用就是在航天上。2021年 “祝融號”火星車在登陸火星時，經(jīng)歷了“冰火兩重天”的考驗，火星車著陸階段，發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍溫度達到1000℃以上；巡視階段，火星車要在-130℃的環(huán)境下工作。研究人員在火星車的表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板，才能在如此極端的環(huán)境中為它保駕護航。如此優(yōu)異的性能，也讓氣凝膠材料大放異彩。

氣凝膠，最輕的固體

氣凝膠是一種密度非常小的固體材料，因為密度太小，所以也被譽為“凍住的煙霧”“固態(tài)空氣”“藍煙”等。它是一種納米級的多孔結(jié)構(gòu)凝膠，其孔隙由氣體填充，具有密度極低、透明度高、隔熱性能優(yōu)異等特點。

那么氣凝膠是如何制造的呢？要得到它，首先需要制備濕凝膠（我們小時候愛吃的果凍就是一種常見的濕凝膠），再將里面的溶劑全部抽取出來同時保證其形狀不改變，就能得到一個氣凝膠了。**當(dāng)然最難的部分也是如何去除液體而只保留固體骨架。

氣凝膠與濕凝膠（圖片來源：作者）

1931 年，加利福尼亞州太平洋學(xué)院 Kistler 教授首先采用超臨界干燥技術(shù)制得了人類歷史上的首個有記錄的氣凝膠。這個技術(shù)的關(guān)鍵在于超臨界流體的奇特性質(zhì)。當(dāng)溶劑在特定的溫度和壓力下，到達液態(tài)和氣態(tài)臨界點，成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。

超臨界干燥是在干燥介質(zhì)的臨界壓力和臨界溫度條件下進行整個干燥過程的技術(shù)手段。通常濕凝膠首先被置于一個高壓容器內(nèi)，在超臨界狀態(tài)下，介質(zhì)流體(通常為二氧化碳)滲入被干燥物體的內(nèi)部，溫和、快速地與溶劑分子進行交換，將溶劑替換出來，然后再通過改變操作參數(shù)將流體從超臨界態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，從被干燥原料中釋放出來，由于溶劑沒有氣液相分離，所以它可以很平和地離開凝膠孔隙，不會破壞凝膠的結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)干燥的效果。

氣凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，類比于多孔海綿，只是海綿的空隙肉眼可見，而氣凝膠空隙結(jié)構(gòu)為納米尺寸。目前制得的氣凝膠孔隙率一般在 80% ~ 99.8%，典型孔洞尺寸在 50 nm 范圍內(nèi)。它的密度比任何其他物質(zhì)都要小，真空狀態(tài)下甚至比空氣還要小。如果把最輕的氣凝膠放在盛開的鮮花上，花蕊都不會被壓彎。

中國的科學(xué)家最近利用含有石墨烯和碳納米管的水溶液成功制備了全碳氣凝膠，它是目前世界上密度最小的固體物質(zhì)。這種氣凝膠的密度為0.16mg/cm3，只有空氣密度的1/6。氣凝膠同時具有三維納米骨架結(jié)構(gòu)，其各向異性三維網(wǎng)絡(luò)連接處保證了其具有高彈性，正因為如此，它可以承受很大的壓力而不會受到破壞。

不同氣凝膠的微觀表征圖（圖片來源：作者）

氣凝膠是怎么隔熱的？三種武器

要明白氣凝膠的隔熱方式，首先我們需要復(fù)習(xí)一下初中物理知識：熱傳遞。熱傳遞的方式有三種：熱對流、熱輻射、熱傳導(dǎo)。

熱對流發(fā)生在流體中，熱微粒通過流動的介質(zhì)從空間的一處向另一處傳播熱能的現(xiàn)象；熱輻射是具有溫度的物體輻射電磁波的現(xiàn)象，溫度越高，輻射出的電磁波能量就越高；熱傳導(dǎo)，物體中的粒子相互碰撞，使得熱量從溫度高的部位傳到溫度低的部位。

熱傳遞三種機制 圖片來源：Wikipedia

氣凝膠隔熱就從這三方面入手，其獨特的結(jié)構(gòu)使其具備了以下三種隔熱的“武器”：

“零對流”效應(yīng)：熱傳導(dǎo)主要是通過氣體分子不斷的碰撞而傳遞能量，科學(xué)上把氣體分子與周圍分子不發(fā)生碰撞的可運動距離叫做分子自由程，空氣的平均自由程為70 nm。而氣凝膠內(nèi)部的平均孔徑約為 20-50 nm，大大小于空氣自由程，因此對流傳熱很小的同時大幅度降低了氣體熱傳導(dǎo)。

“無窮熱隔板”效應(yīng)：氣凝膠的孔徑是納米級別的，雖然孔隙極其多，但是錯落有致的孔隙使得沒有“通孔”，無窮多的孔壁相當(dāng)于遮熱板，這樣就使得熱輻射傳導(dǎo)的熱量降到最低，再配合上特殊的反輻射物質(zhì)，可更加有效阻隔輻射傳熱。

“無窮長路徑”效應(yīng)：熱量只能順著孔傳遞，無窮多的孔使得熱傳遞的路徑無限長，從而使得傳遞的熱量趨于最低。當(dāng)把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳導(dǎo)變得非常困難，相當(dāng)于讓熱量沿著羊腸小道在三維網(wǎng)絡(luò)上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個個單獨的房間，把單個的氣體分子關(guān)起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，從而把對流傳熱消于無形。

用火焰槍炙烤氣凝膠，放置于其上的蠟筆并不會融化，這說明了氣凝膠的優(yōu)秀隔熱能力 （圖片來源：NASA）

氣凝膠可以用來干什么？你盡管想！

氣凝膠已經(jīng)從最初的SiO2氣凝膠發(fā)展成為龐大的氣凝膠家族。氣凝膠材料按照組分不同可分為單組和多組分氣凝膠，其中單組分凝膠包括氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠等其他種類氣凝膠，而多組分氣凝膠是指由兩種及以上單組分氣凝膠構(gòu)成或者由纖維、晶須、納米管等作為增強體的氣凝膠復(fù)合材料。

氣凝膠的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得其在熱學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、吸附等方面都顯示出獨特的性質(zhì)，在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

其中，最讓人矚目的就是在航空航天領(lǐng)域，由于孔隙率高、高比表面積、低密度、絕熱性能好等優(yōu)異理化性質(zhì)，已經(jīng)成功應(yīng)用在長征火箭系列，火星車以及宇航服等。

（圖片來源：作者）

最近浙江大學(xué)研究團隊發(fā)明的比羽絨服更保暖“北極熊毛衣”登上頂刊雜志《科學(xué)》?？茖W(xué)家通過模擬北極熊毛的多孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合彈性熱塑材料制備出一種封裝氣凝膠的超保暖人造纖維，真正實現(xiàn)了將保暖的氣凝膠穿在身上。

不過要注意的是，目前市場上很多商家在冬季來臨之際，也紛紛給衣服打上“氣凝膠”的名號，標(biāo)榜防寒能力，但實際的保溫能力卻往往不如人意。主要是氣凝膠本征脆性，當(dāng)前的“氣凝膠”防寒服都是在衣料中摻雜部分氣凝膠顆粒，但衣料中大量的空隙依然傳遞熱量，保暖效果大大不及預(yù)期，甚至不如普通的羽絨服。此外還有材料無法機洗、在潮濕環(huán)境中易失去保溫能力等一系列問題。所以，目前的“氣凝膠羽絨服”是不是智商稅，你懂的。

此外，在吸附分離方面，氣凝膠由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于海綿，擁有很強的吸附能力。“碳海綿”可以任意調(diào)節(jié)形狀，彈性也很優(yōu)異，被壓縮 80% 后仍可恢復(fù)原狀。全碳氣凝膠能夠吸附達到自身重量900倍的石油，每年在海面上都有發(fā)生大量原油污染而無法處理，因此將來可以用來制造吸附石油的工具。

另外，氣凝膠在電力和化學(xué)方面也具有重要應(yīng)用，多孔碳氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅可以形成電荷運輸?shù)母叨藢?dǎo)電通道，同時也可以作為摻雜或包覆各種有機或無機活性材料的骨架，在化學(xué)生產(chǎn)中一旦作為催化劑固定床，就能大大增加催化反應(yīng)面積，從而增加化學(xué)反應(yīng)速率。

最后，由于氣凝膠具有高孔隙率，同時還具有生物機體相容性及可生物降解特性，因而還在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途。

氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域（圖片來源：作者）

當(dāng)然，氣凝膠領(lǐng)域還不夠成熟，還需要開展大量的研究工作，例如凝膠在陳化（液體固化處理）過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化不清楚，各種制備參數(shù)對其性質(zhì)的影響規(guī)律尚有待進一步的探索，可塑造性不強。但是相信在未來，氣凝膠這種神奇的材料將為人類創(chuàng)造更加健康、智能、可靠和美好的生活環(huán)境。

參考資料：

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[2] BLASZCZYNSKI T, SLOSARCZYK A, MORAWSKI M. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method [J]. Procedia Engineer, 2013, 57: 200206.

[3] BAG S, KANATZIDIS MG. Chalcogels: porous metal-chalcogenide networks from main-group metal ions.effect of surface polarizability on selectivity in gas separation [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132: 1495114959

[4] 章婷，趙春林等，氣凝膠研究進展，Advanced Ceramics，1005-1198 (2018) 01-0001-39

作者：王振

作者單位：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所

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