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世界上最轻的固体——气凝胶

咦，这是什么？好像冻住的烟。

这不是烟，而是一种固体，确切地说是世界上最轻的固体——气凝胶。

气凝胶是什么？首先我们来认识下“凝胶”。

一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。

果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶，这种凝胶是被水或其他液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的，这就是“气凝胶”。

1931年，美国科学家Samuel StephensKistler制备出了这种新材料，命名为“aerogel”，气凝胶。“aero”+“gel”描绘出这种新材料的特点，即一种由气体填充的凝胶。

气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点：其骨架在纳米尺度。因此，当可见光穿过时散射较小，看上去像“冻住的烟”。

气凝胶密度极低，是世界上最轻的固体。目前，最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶”，密度仅有0.16mg/cm³（去除空气密度），仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上，柔软的花蕊几乎没有变形。

气凝胶的制备过程分为两步：制备湿凝胶、将湿凝胶通过特殊手法干燥。

湿凝胶最传统的制备方法是溶胶-凝胶法。将含高化学活性组分的化合物分散在溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单体聚合，形成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。此时制作出来的凝胶有点类似于果冻，紧接着将果冻状凝胶进一步进行干燥处理即可得到气凝胶。由于表面张力的作用，通常状态下，凝胶内液体的挥发会使得凝胶脆弱的骨架坍塌。而通过冷冻干燥技术进行干燥可以解决这一问题。将湿凝胶在低温冷冻，接着置于真空条件下干燥。由于冷冻过程已经使得凝胶内的液体转变为固体，之后在真空环境中以升华的形式脱离凝胶骨架，这样就可以避免了液体挥发造成骨架坍塌的问题，得到我们所期待的气凝胶。

“气凝胶有什么用途？”相信每个人都会有这样的疑问。回答也会是各式各样，“它有着极低的热导率，可以作为超级隔热材料”“它可以用作电极”“它可以用于污染治理”

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，某些气凝胶还表现出优异的吸附性能，如“碳海绵”。气凝胶可以制作成为保温毡，具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性，有望替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍。同时，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。这让人很容易想到用它来处理海上的漏油，将它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来，因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用。有望在治理海上漏油方面发挥重要作用。

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。

作为一种诞生于20世纪初的材料，气凝胶本不属于最近发现的“新材料”，然而其各方面的优良特性使其受到广泛关注，这种材料的应用还需要去不断研究、探索。

来源：中国科学院金属研究所，转载自中科院之声公众号

编辑：Dannis