硅气凝胶(左)和碳气凝胶(右)

世界上最轻的固体是什么?它可以轻松站立在花蕊之上,可就是这又轻又薄一小块,貌似“弱不禁风”,却能经受住1公斤炸药的爆炸威力,也能扛得住2000℃的高温和零下180℃的超低温。

它就是气凝胶!

 

01 最轻的固体——气凝胶,只有空气密度的六分之一
气凝胶,英文叫Aerogel,意味着飞行的凝胶,之所以称它可以“飞行”,就是因为它的超低密度,常见的硅气凝胶的密度仅为空气密度的3倍,被称之为“冻住的烟”,而浙大高超教授制备全碳气凝胶更是刷新了气凝胶材料密度新记录,密度仅每立方厘米0.16毫克,是空气密度的六分之一。如果将一团气凝胶放在掌心,那感觉比放着同等体积大小的棉花还要轻许多!

气凝胶被列为十大热门科学技术之一,是吉尼斯世界记录的常客。但是想要理解气凝胶到底是什么,并没有想象中那么难。

尽管不一定知道气凝胶是啥,但是说到凝胶,许多人都知道:例如我们经常吃的豆腐、果冻等都是凝胶。如果说我们将豆腐、果冻里的水占据的空间,通过一定的干燥替换成空气,也就做出了蛋白质气凝胶和明胶气凝胶。

也就是说,气凝胶的常规定义是指:通过溶胶凝胶法,用一定的干燥方式,使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。

理论上任何物质形成的凝胶只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,皆可以称之为气凝胶。

02 科学家的一次“打赌”,铸就了科学的“奇迹”
气凝胶如此神奇,但它的诞生却源于一场打赌。1931年,美国科学家Kistler与Charles Learned打赌:看谁能够将凝胶内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化。

两个科学家的“打赌”,成就了一场科学界的“奇迹”,气凝胶这种神奇的材料,被制备了出来!

如今,气凝胶的制备技术已有极大的提升,制备技术分为湿凝胶制备和凝胶干燥两个过程。其核心在于克服表面张力的作用下,将凝胶中的溶剂去除,同时保持凝胶三维纳米网络结构不被破坏。

为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏,通过超临界干燥工艺处理,把凝胶置于压力容器中加温升压,使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体,气液界面消失,表面张力不复存在,从而得到气凝胶,另外一种常压干燥工艺,通过低表面能的溶剂填充凝胶孔隙结构、一定化学改性手段,降低干燥过程中的固液面表面张力制备气凝胶。

随着超临界技术的成熟,诸多物质形成的凝胶经过超临界干燥后,都能够得到不同成分的气凝胶,使得气凝胶家族越来越庞大,更有学者称:气凝胶与其说是一种新型材料,不如说是一种脱离于固液气之外的新物质状态。气凝胶以组成成分为依据,可划分为两大类:单一组分和多组分。单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶(SiO2、Al2O3、TiO2等),聚合物气凝胶(树脂基、纤维基),碳气凝胶(碳纳米管,石墨烯等),硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶(NiS、CoS、贵金属、合金)。气凝胶复合物包括多重组分气凝胶,梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。

03 除了科学界的应用,气凝胶即将走进日常生活
气凝胶作为一种纳米多孔材料,具有纳米颗粒构成的连续三维纳米多孔网络结构,赋予其低密度、高孔隙率、高比表面积、大孔体积等特性,其在力学、热学、电学、光学、声学等方面均表现出独特的性能,一开始其应用,就备受美国宇航局等高端玩家的关注。2006年,美国NASA报道通过使用密度呈梯度变化的SiO2气凝胶材料,成功实现了高速彗星尘埃粒子的捕获——气凝胶在这里起到的作用就像一个网兜子,速度高达6000米/s的 高速粒子会从低密度的一端进入气凝胶,通过在气凝胶内进行无损减速,最终可以在高密度的一端实现了“软着陆”,最终这些收集而来的彗星星尘可以更好地帮助人类了解太阳和行星的历史。

美国宇航局在2013年就已经确定:在2018年火星探险时,宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该公司的资深科学家马克•克拉杰沃斯基说,只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层,那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。
除了在航天领域的应用,气凝胶在我国的军事领域也有应用。气凝胶隔热材料作为外衣,覆盖在东风-17的表面,使得东风-17在获得极快的加速度同时,也能保护好自己不被空气摩擦所产生的高温给破坏。除此之外,这种气凝胶隔热材料还具有透波性能,不会阻挡东风-17内部的制导装置。

气凝胶最初被广泛应用于航空航天、军事工业等高端技术领域,随着中国经济转型升级及实施国家纳米材料战略, 绝热性能突出、技术成熟的硅气凝胶在我国已经实现了产业化,也逐步走向民用市场。但是气凝胶产业目前仍受限于其较高的生产成本及较小的生产规模,导致其应用规模和应用领域受限。目前的产品应用主要以航天军工、管道保温、新能源汽车为主,建筑领域应用较少。不过目前,已经有气凝胶制作的“气凝胶服”,它轻薄又保暖,能有效抵御液氮的极寒攻击。

总的来讲,气凝胶的性能主要由两部分贡献:一部分是结构,简单地说就是由多孔性质衍生出的性能,比如它优良的隔热性能。用火焰隔着气凝胶对一朵花进行加热,花朵几乎没有任何损伤。此外,某些气凝胶由于其极高的比表面积和纳米多孔结构,还表现出优异的吸附性能,如“碳海绵”。

另一部分的性能来源于构成气凝胶骨架的成分处于纳米尺度。纳米尺度粒子本身具有的某些性能,以气凝胶的形式存在时,往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO2),当它以气凝胶的形式存在时,锂电池的放电性能得到了大幅度提高。

 

相信随着气凝胶行业的发展,气凝胶材料生产技术的不断革新和降本,人手一件气凝胶“宇航服”并非是奢望!