【趣味科普第二期】世界上“最輕的固體”！揭開氣凝膠的神秘面紗
時間：2020-10-09 來源：
世界上最輕的固體是什么？它可以輕松站立在花蕊之上，可就是這又輕又薄一小塊，貌似“弱不禁風”，卻能經受住1公斤炸藥的爆炸威力，也能扛得住2000℃的高溫和零下180℃的超低溫。
它就是氣凝膠！
01 最輕的固體——氣凝膠，只有空氣密度的六分之一
氣凝膠，英文叫Aerogel，意味著飛行的凝膠，之所以稱它可以“飛行”，就是因為它的超低密度，常見的硅氣凝膠的密度僅為空氣密度的3倍，被稱之為“凍住的煙”，而浙大高超教授制備全碳氣凝膠更是刷新了氣凝膠材料密度新記錄，密度僅每立方厘米0.16毫克，是空氣密度的六分之一。如果將一團氣凝膠放在掌心，那感覺比放著同等體積大小的棉花還要輕許多！
氣凝膠被列為十大熱門科學技術之一，是吉尼斯世界記錄的常客。但是想要理解氣凝膠到底是什么，并沒有想象中那么難。
盡管不一定知道氣凝膠是啥，但是說到凝膠，許多人都知道：例如我們經常吃的豆腐、果凍等都是凝膠。如果說我們將豆腐、果凍里的水占據的空間，通過一定的干燥替換成空氣，也就做出了蛋白質氣凝膠和明膠氣凝膠。
也就是說，氣凝膠的常規定義是指：通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式，使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態材料。
理論上任何物質形成的凝膠只要可以經干燥后除去內部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產物高孔隙率、低密度，皆可以稱之為氣凝膠。
氣凝膠如此神奇，但它的誕生卻源于一場打賭。1931年，美國科學家Kistler與Charles Learned打賭：看誰能夠將凝膠內的液體換成氣體同時不使固體結構發生變化。
兩個科學家的“打賭”，成就了一場科學界的“奇跡”，氣凝膠這種神奇的材料，被制備了出來！
如今，氣凝膠的制備技術已有極大的提升，制備技術分為濕凝膠制備和凝膠干燥兩個過程。其核心在于克服表面張力的作用下，將凝膠中的溶劑去除，同時保持凝膠三維納米網絡結構不被破壞。
為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞，通過超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內的液體發生相變成超臨界態的流體，氣液界面消失，表面張力不復存在，從而得到氣凝膠，另外一種常壓干燥工藝，通過低表面能的溶劑填充凝膠孔隙結構、一定化學改性手段，降低干燥過程中的固液面表面張力制備氣凝膠。
隨著超臨界技術的成熟，諸多物質形成的凝膠經過超臨界干燥后，都能夠得到不同成分的氣凝膠，使得氣凝膠家族越來越龐大，更有學者稱：氣凝膠與其說是一種新型材料，不如說是一種脫離于固液氣之外的新物質狀態。氣凝膠以組成成分為依據，可劃分為兩大類：單一組分和多組分。單一組分氣凝膠包括氧化物氣凝膠（SiO2、Al2O3、TiO2等），聚合物氣凝膠（樹脂基、纖維基），碳氣凝膠（碳納米管，石墨烯等），硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠（NiS、CoS、貴金屬、合金）。氣凝膠復合物包括多重組分氣凝膠，梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠復合物。
氣凝膠作為一種納米多孔材料,具有納米顆粒構成的連續三維納米多孔網絡結構,賦予其低密度、高孔隙率、高比表面積、大孔體積等特性，其在力學、熱學、電學、光學、聲學等方面均表現出獨特的性能，一開始其應用，就備受美國宇航局等高端玩家的關注。2006年，美國NASA報道通過使用密度呈梯度變化的SiO2氣凝膠材料，成功實現了高速彗星塵埃粒子的捕獲——氣凝膠在這里起到的作用就像一個網兜子，速度高達6000米/s的 高速粒子會從低密度的一端進入氣凝膠，通過在氣凝膠內進行無損減速，最終可以在高密度的一端實現了“軟著陸”，最終這些收集而來的彗星星塵可以更好地幫助人類了解太陽和行星的歷史。
美國宇航局在2013年就已經確定：在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學家馬克?克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。
除了在航天領域的應用，氣凝膠在我國的軍事領域也有應用。氣凝膠隔熱材料作為外衣，覆蓋在東風-17的表面，使得東風-17在獲得極快的加速度同時，也能保護好自己不被空氣摩擦所產生的高溫給破壞。除此之外，這種氣凝膠隔熱材料還具有透波性能，不會阻擋東風-17內部的制導裝置。
氣凝膠最初被廣泛應用于航空航天、軍事工業等高端技術領域，隨著中國經濟轉型升級及實施國家納米材料戰略， 絕熱性能突出、技術成熟的硅氣凝膠在我國已經實現了產業化，也逐步走向民用市場。但是氣凝膠產業目前仍受限于其較高的生產成本及較小的生產規模，導致其應用規模和應用領域受限。目前的產品應用主要以航天軍工、管道保溫、新能源汽車為主，建筑領域應用較少。不過目前，已經有氣凝膠制作的“氣凝膠服”，它輕薄又保暖，能有效抵御液氮的極寒攻擊。
總的來講，氣凝膠的性能主要由兩部分貢獻：一部分是結構，簡單地說就是由多孔性質衍生出的性能，比如它優良的隔熱性能。用火焰隔著氣凝膠對一朵花進行加熱，花朵幾乎沒有任何損傷。此外，某些氣凝膠由于其極高的比表面積和納米多孔結構，還表現出優異的吸附性能，如“碳海綿”。
另一部分的性能來源于構成氣凝膠骨架的成分處于納米尺度。納米尺度粒子本身具有的某些性能，以氣凝膠的形式存在時，往往會得到增強。比如鋰電池的電極材料——二氧化錳(MnO2)，當它以氣凝膠的形式存在時，鋰電池的放電性能得到了大幅度提高。
相信隨著氣凝膠行業的發展，氣凝膠材料生產技術的不斷革新和降本，人手一件氣凝膠“宇航服”并非是奢望！
