比空氣還輕的納米海綿，可承受2700°C高溫

恭喜您來到一個神奇的世界！您現(xiàn)在是神奇的納米海綿——氣凝膠的驕傲擁有者！

你可能會問，什么是氣凝膠（Aerogels）？氣凝膠是世界上最輕的固體材料，可應(yīng)用于超前學(xué)科的神奇材料！它解決了催化、光學(xué)、傳感、檢測和醫(yī)學(xué)的重大現(xiàn)實需求。

密度是空氣的2.75倍！沒有誰質(zhì)疑氣凝膠作為世界上密度最小、質(zhì)量最輕的固體屬性。從超級絕緣和超級電容器到超輕結(jié)構(gòu)、傳感器和裝甲，氣凝膠使人類世界更契合夢想和行動的前沿技術(shù)成為可能。

 

到 2022 年，全球氣凝膠市場預(yù)計將達(dá)到 7.8 億美元，因此它們并不新鮮。事實上，它們已經(jīng)存在了將近一個世紀(jì)。氣凝膠由Samuel Stephens Kistler 于 1929 年首次創(chuàng)建，這是他與美國科學(xué)家 Steven Kistler 及其同事 Charles Learn 打賭的結(jié)果，他們想看看是否有可能從凝膠中去除液體而不影響其固體結(jié)構(gòu)。氣凝膠于 1931 年在《自然》雜志上首次被描述。事實上，粉狀二氧化硅氣凝膠在 1940 年代首先由孟山都公司商業(yè)化，碳?xì)饽z于 1980 年代首次推出。1960 年代以來，氣凝膠一直被用作 NASA 宇航員宇航服的絕緣材料，并應(yīng)用于捕捉太空塵埃。整個1980 年代，世界各地越來越多的科學(xué)家產(chǎn)生了興趣，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室和NASA領(lǐng)導(dǎo)的重大研究工作幫助推動了氣凝膠的前沿應(yīng)用。

 

21世紀(jì)以來，氣凝膠的脆性得到改進(jìn)為其商業(yè)化應(yīng)用開辟一個全新的世界，并成為新型的納米材料，已在航空航天、海軍艦船、高鐵動車、新能源汽車、電力、石化、太陽能光熱、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

 

納米級密度的超級海綿

 

從本質(zhì)上講，氣凝膠是一種功能多樣化的超低密度多孔結(jié)構(gòu)海綿，與廚房海綿非常相似，只是其孔隙比普通海綿小一百萬倍，擁有99.8%的空氣和高達(dá)99.99%孔隙率，以至于肉眼無法看到。

 

氣凝膠是納米技術(shù)的一種形式，內(nèi)布滿了無數(shù)納米級的角落、縫隙和樹枝狀支柱——其中大部分的寬度大約為 10 納米——只有大約 100 個原子寬，這大約比人類頭發(fā)的直徑小 10,000 倍。所以可見光經(jīng)過它時散射較?。ㄈ鹄⑸洌拖耜柟饨?jīng)過空氣一樣。如果里面沒有摻雜其它東西，它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)。所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。

 

氣凝膠可由多種化合物制成，所以氣凝膠的種類很多。大部分氣凝膠看起來是近乎透明或者半透明的，這是最常見的二氧化硅氣凝膠，表現(xiàn)出任何已知固體的最低導(dǎo)熱率。二氧化硅氣凝膠摸起來像易碎的發(fā)泡聚苯乙烯，而一些基于聚合物的氣凝膠感覺像硬質(zhì)泡沫。除了硅氣凝膠，還有碳系（全碳海綿）、硫系、金屬氧化物系等。

 

氣凝膠可以是有機(jī)的、無機(jī)的，也可以是多種表面化學(xué)物質(zhì)的混合物。硅氣凝膠和金屬氧化物氣凝膠之間最顯著的區(qū)別之一是金屬氧化物氣凝膠通常有多種顏色。

 

氣凝膠材質(zhì)	顏色
二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯	透明，瑞利散射藍(lán)色或白色
氧化鐵	銹紅色或黃色，不透明
氧化釩	橄欖綠，不透明
氧化釹	紫色，透明
氧化釤	黃色，透明
氧化鈥、氧化鉺	粉色，透明

 

除此以外，還有聚酰亞胺、石墨烯、硒化鎘、三聚氰胺，以及通過添加摻雜劑、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和雜化合物的氣凝膠，可以針對特定應(yīng)用增強(qiáng)氣凝膠性能，或者這些產(chǎn)品是氣凝膠與某種纖維棉的復(fù)合材料。由聚合物（如紡織物、纖維棉）制成的氣凝膠，極其堅固和靈活，可應(yīng)用于石油管道絕緣材料、極端天氣服裝和作戰(zhàn)直升機(jī)的紅外線屏蔽裝置。

 

 

氣凝膠的制備

 

由于構(gòu)成氣凝膠的孔隙和結(jié)構(gòu)極其低且致密，所以氣凝膠內(nèi)部發(fā)生了許多奇怪的物理現(xiàn)象，并賦予了氣凝膠明顯的超能力，或者說是技術(shù)上的極端材料特性。氣凝膠具有的“超能力”取決于氣凝膠的成分和密度。

 

氣凝膠結(jié)構(gòu)源于最傳統(tǒng)的制備方法：溶膠-凝膠聚合，將含高化學(xué)活性組分的化合物分散在溶劑中，經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體，活性單體聚合，形成溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。當(dāng)材料被嚴(yán)格加熱時，液體會蒸發(fā)，并留下鍵合、交聯(lián)的大分子框架。

 

合成的變化會改變氣凝膠的表面積和孔徑?？讖皆叫?，氣凝膠越容易破裂。通過冷凍干燥技術(shù)進(jìn)行干燥可以解決這一問題。將濕凝膠在低溫冷凍，接著置于真空條件下干燥。由于冷凍過程已經(jīng)使得凝膠內(nèi)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，之后在真空環(huán)境中以升華的形式脫離凝膠骨架，這樣就可以避免了液體揮發(fā)造成骨架坍塌的問題，得到我們所期待的氣凝膠。

 

那么氣凝膠有什么大不了的呢？請繼續(xù)閱讀！

 

氣凝膠六大超級特性

 

① 超級絕緣

 

事實上，世界上最好的絕緣固體都是氣凝膠，通常是指低密度二氧化硅氣凝膠或聚合物氣凝膠，熱導(dǎo)率幾乎為0，因為幾乎可以抵消所有三種傳熱方法：對流、傳導(dǎo)和輻射。事實上，一英寸厚（2.5 厘米厚）的氣凝膠磚可以具有與15塊窗玻璃相同的隔熱能力，或相當(dāng)于三英寸（7.5 厘米）的泡沫聚苯乙烯。和氣凝膠瓷磚一樣華麗，對于現(xiàn)實世界的應(yīng)用，通常使用柔性纖維增強(qiáng)超級絕緣氣凝膠毯，例如 Cabot 的Thermal Wrap和 Aspen Aerogels 的Spaceloft，可以為海底石油管道、節(jié)能建筑和冬季服裝的保溫隔熱材料賣到世界各地。

 

②耐高溫

 

具備有A級防火功能是氣凝膠最基礎(chǔ)的耐高溫特性。一些氣凝膠，包括二氧化硅氣凝膠海綿，不僅具有耐高溫，而且在500-1000°C高溫下具有超絕熱性！Airgel Tech擁有一種名為 Galacticlad™ 的實驗性氣凝膠材料，可以承受高達(dá) 4800°F (>2700°C) 的溫度——這比航天飛機(jī)瓷磚高50% ！

 

 

③超低密度

 

所有氣凝膠的共同點是密度極低，通常從每立方厘米約 0.6 克至 0.00012g/cc（是的，每立方厘米0.12 毫克）！這個較低的值代表了世界上最輕的固體材料的世界紀(jì)錄，這是一種由石墨烯制成的氣凝膠配方。作為比較，水的密度為 1 g/cc，其中大多數(shù)塑料約為 1.2 g/cc，空氣約為 0.00123 g/cc。

 

如果你把所有的空氣都吸出來或者用氦氣代替它，可以讓光漂浮在空氣中——直到空氣擴(kuò)散回它的毛孔?？茖W(xué)家有這樣一種構(gòu)想：能否以某種方式密封真空石墨烯氣凝膠的外部并制造某種飛行裝置？

 

 

④ 超高強(qiáng)度重量比

 

氣凝膠的一項顯著特性是其令人難以置信的高強(qiáng)度重量比。大多數(shù)氣凝膠在施加的力下可以承受其重量的數(shù)千倍。不幸的是，藍(lán)色二氧化硅氣凝膠往往具有較低的斷裂韌性，這意味著即使它們可以承受數(shù)千倍的重量，它們也很容易斷裂。

 

但永遠(yuǎn)不要害怕！Airgel Technologies最近推出了一種名為Airloys ®的新型機(jī)械強(qiáng)度氣凝膠，它具有氣凝膠固有的超低密度和卓越的隔熱性能，同時還具有堅固、堅硬、堅韌和可加工性！Airloys 不僅比經(jīng)典氣凝膠更堅固，而且它們在壓縮時可以承受數(shù)十萬倍的重量——甚至比普通氣凝膠還要多！

 

 

⑤聲學(xué)超級絕緣

 

除了保持溫暖，氣凝膠還是出色的消音器——也就是說，它們具有非凡的隔音效果。例如，氣凝膠的隔音效果甚至比聚氨酯泡沫要好 10 到 1000 倍。

 

⑥超高表面積

 

氣凝膠內(nèi)部微小孔隙授予它們特別高的比表面積，這意味著大量的固體材料是與周圍環(huán)境接觸。一塊典型的氣凝膠（例如二氧化硅氣凝膠或碳?xì)饽z）每克大約有 700 平方米的表面積——這意味著冰塊大小的氣凝膠包裹在它所有的角落和縫隙中，大約相當(dāng)于一個足球場的一半表面積。

 

特別酷的是，科學(xué)家可以在所有表面區(qū)域放置東西，使氣凝膠做一些奇怪的事情。一個例子是通過使防水劑與氣凝膠的骨架表面反應(yīng)來制造防水或疏水的氣凝膠。當(dāng)氣凝膠由吸引和粘附某些分子或顆粒的材料制成時，它們可以用作過濾器和吸附劑，將物質(zhì)捕獲在孔隙內(nèi)。

 

 

如果氣凝膠是由導(dǎo)電物質(zhì)制成的，就像碳?xì)饽z一樣，那么您現(xiàn)在就有了一種用于超級電容器、電池和海水淡化過濾器的極好的電極材料！

 

ok，了解了以上重要幾項性能，那么氣凝膠有哪些用途呢？請繼續(xù)閱讀。

 

氣凝膠廣泛應(yīng)用

 

如今，各種類型的氣凝膠用于許多應(yīng)用。以下是不同氣凝膠材料的一些應(yīng)用：

 

• 氣凝膠復(fù)合毯

• 絕緣海底輸油管道

• 建筑保溫，尤其是在空間有限的地方

• 透光隔熱織物屋面

• 疏水二氧化硅氣凝膠顆粒

   

• 節(jié)能天窗

• 接觸熱蒸汽管道時可防止灼傷的安全涂層

• 油漆和化妝品消光劑

• 單片二氧化硅氣凝膠板

   

• 化學(xué)傳感器

• 粒子加速器中的切倫科夫粒子探測器，包括大型強(qiáng)子對撞機(jī)

• 視覺藝術(shù)和雕塑

• 包括火星探索漫游者 (MER) 在內(nèi)的航天器上的絕緣電子設(shè)備

• 捕捉彗星塵埃（星塵任務(wù)）

• 碳?xì)饽z

   

• 超級電容器電極

• 電池電極

• 用于海水淡化系統(tǒng)的電極

• 用于生長碳納米管的基材

• Airloy 強(qiáng)力氣凝膠

   

• 平板電腦和智能手機(jī)的超輕塑料替代品

• 用于飛機(jī)和冷藏車的超輕面板

• 防彈背心

 

 

 

氣凝膠的研究應(yīng)用

 

①氣凝膠毯 

 

這是氣凝膠最常見的應(yīng)用——制作氣凝膠毯，具有柔軟、易裁剪、密度小、防火阻燃、綠色環(huán)保等特性，其可替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環(huán)保、保溫性能差的傳統(tǒng)柔性保溫材料。

 

氣凝膠毯制備過程的溶膠-凝膠階段，硅溶膠直接浸潤泡沫纖維，共同經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，直到產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束。這種方法獲得的氣凝膠復(fù)合材料，相對而言，氣凝膠是連續(xù)相，泡沫纖維是分散相，所得氣凝膠產(chǎn)品往往可以獲得較低的導(dǎo)熱系數(shù)，并且產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較好，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)的主流復(fù)合方式。

 

? 圖源：鄭州峰泰納米材料有限公司

 

②食品干燥劑

 

氣凝膠可吸收的水量隨著比表面積的增加而增加。由于氣凝膠具有比傳統(tǒng)硅膠更高的比表面積，因此氣凝膠在其捕獲水分的能力方面提供了更大的改進(jìn)。氣凝膠吸附劑的一個熟悉的親戚就是硅膠，它通常用作干燥劑以去除空氣中的水分。大多數(shù)人都熟悉用于在空調(diào)系統(tǒng)和其他應(yīng)用中保持食物和其他物品干燥的硅膠包。硅膠吸水飽和后，可以通過在烤箱中加熱來“充電”，從而使硅膠孔隙表面的水分蒸發(fā)，使其干燥并可以再次使用。

 

 

 

③微技術(shù)和醫(yī)藥用絕緣材料

 

有了氣凝膠這樣納米孔隙的結(jié)構(gòu)，即使是最小的電子元件彼此之間的熱絕緣現(xiàn)在也變得相對簡單。研究人員能夠以令人印象深刻的方式展示溫度敏感組件的熱屏蔽和局部“熱點”的熱管理。另一種可能的應(yīng)用是屏蔽醫(yī)療植入物內(nèi)部的熱源，其表面溫度不應(yīng)超過 37 度，以保護(hù)身體組織。

 

 

 

④將空氣轉(zhuǎn)化為液體

 

近期，新加坡國立大學(xué)（NUS）的一個研究小組提出了一個很有前景的實驗品，這是一種海綿氣凝膠，它可以將空氣中的水分子轉(zhuǎn)化為可飲用的液體，且無需電源或任何活動部件。

 

NUS工程師創(chuàng)造的材料帶來了一個相對簡單的解決方案：他們使用的氣凝膠是由蛇形長聚合物跟金屬有機(jī)框架結(jié)合而成。當(dāng)它暴露在陽光下時，它的強(qiáng)性能能將吸收95%的水蒸氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)水，而且混合材料提供可以持續(xù)同時吸引和排斥水的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在實驗室測試中，研究小組證明了該種材料連續(xù)工作1440小時的能力，其產(chǎn)生的水也符合世界衛(wèi)生組織的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。研究人員報告稱，在潮濕的環(huán)境下，1公斤的該種材料每天可以產(chǎn)生17升的水。

 

 

 

⑤收集彗星微粒

 

由于具備氣凝膠獨特的特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國探測器都用它來進(jìn)行熱絕緣。

 

氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項十分重要的使命———捕獲高速彗星粒。科學(xué)家認(rèn)為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。

 

但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時，自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當(dāng)于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。 

 

 

 

⑥在火星上提供宜居區(qū)域

 

正如我們所知，火星表面對生命充滿敵意——它太冷了，液態(tài)水無法存在，而且沒有臭氧層來保護(hù)它免受紫外線輻射。盡管多年來研究人員提出了許多使火星更宜居的建議，但所有這些都需要對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。哈佛大學(xué)、加州理工學(xué)院 (Caltech) 和愛丁堡大學(xué)的研究人員華茲華斯及其同事利用二氧化硅絕緣材料設(shè)計出了新方案：利用固態(tài)模擬地球上的大氣溫室效應(yīng)。當(dāng)陽光被半透明的雪或冰層吸收時，就會發(fā)生這種效果。它在對可見光部分透明但導(dǎo)熱率低并阻擋紅外光的材料中最為明顯。

 

研究人員說，與地球的極地冰蓋不同，火星上的極地冰蓋（包含水冰和冷凍二氧化碳的組合）揮發(fā)性太強(qiáng)，無法制成堅固的固態(tài)溫室防護(hù)罩。在他們的實驗中，華茲華斯和同事在實驗室中復(fù)制了火星的表面條件。然后，他們將一層二氧化硅氣凝膠顆粒或瓷磚放在一個底座上，該底座反射很少的光線，并被隔熱材料包圍。接下來，他們將設(shè)備暴露在來自太陽模擬器的可見光下。他們使用日射強(qiáng)度計測量入射在氣凝膠層上的寬帶光通量，并使用校準(zhǔn)的玻璃珠熱敏電阻測量溫度。

 

 

 

市場

 

據(jù)Markets and markets分析，2020 年氣凝膠市場規(guī)模預(yù)計為 6.38 億美元，預(yù)計到 2025 年將達(dá)到 10.45 億美元，2020 年至 2025 年的復(fù)合年增長率為 10.4%。市場主要受氣凝膠需求上升的推動來自石油和天然氣、建筑、運輸、性能涂層、日光和 LVHS 等應(yīng)用。超耐熱性、更薄更輕的替代品等因素將推動氣凝膠市場的發(fā)展。就數(shù)量和價值而言，北美是全球氣凝膠的主要市場，其次是歐洲和亞太地區(qū)。

 

 

雖然氣凝膠高昂的價格一定程度上阻礙了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。但是，不可代替的是，氣凝膠仍是最具吸引力的材料之一，助力人類未來的更多夢想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。

 

 

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