氣凝膠

氣凝膠是一種固體物質形態，世界上密度很小的固體之一。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年因與其友打賭製得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經乾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，則皆可以稱之為氣凝膠。

因為密度極低，目前最輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由於裡面的顆粒非常小（納米量級），所以可見光經過它時散射較小（瑞利散射），就像陽光經過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發藍（如果裡面沒有摻雜其它東西），如果對著光看有點發紅。（天空是藍色的，而傍晚的天空是紅色的）。由於氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中，使用來作為切連科夫效應的探測器。位在高能加速器研究機構B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器，就是一個最新的應用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介於液體與氣體之低折射係數特性，還有其高透光度與固態的性質，優於傳統使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時，其輕量的性質也是優點之一。

氣凝膠，作為世界最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；乾燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。由於它的密度極小，用於航空航天方面非常合適。美宇航局噴氣推進實驗室，該實驗室瓊斯博士研製出的新型氣凝膠，主要由純二氧化硅等組成。在製作過程中，液態硅化合物首先與能快速蒸發的液體溶劑混合，形成凝膠，然後將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中乾燥，並經過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結構。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例佔到了99.8%。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料。

美國國家宇航局研製出的一種新型氣凝膠，由於密度只有每立方厘米3毫克，日前已經作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀錄》。

這種氣凝膠呈半透明淡藍色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學家史蒂芬·瓊斯博士研製的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因為它99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。

氣凝膠貌似“弱不禁風”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當於自身質量幾千倍的壓力，在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由於具備這些特性，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“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。

氣凝膠在航天中的應用遠不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執行一項十分重要的使命———收集彗星微粒。科學家認為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵並不是件容易的事，它的速度相當於步槍子彈的6倍，儘管體積比沙粒還要小，可是當它以如此高速接觸其它物質時，自身的物理和化學組成都有可能發生改變，甚至完全被蒸發。如今科學家有了氣凝膠，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於自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿蔔狀的軌跡，由於氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕鬆地找到這些微粒。

氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由於他採用超臨界乾燥方法成功製備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經超臨界乾燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中後期，隨著常壓乾燥技術的出現和發展，90年代中後期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論採用何種乾燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網路結構基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結構特徵是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網路結構，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3範圍內可調。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。

氣凝膠的製備通常由溶膠凝膠過程和超臨界乾燥處理構成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應條件，在溶體內形成不同結構的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態骨架周圍則充滿化學反應后剩餘的液態試劑。為了防止凝膠乾燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞，採用超臨界乾燥工藝處理，把凝膠置於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，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續網路結構的低密度氣凝膠材料。

在分形結構研究方面。硅氣凝膠作為一種結構可控的納米多孔材料，其表現密度明顯依賴於標度尺寸，在一定尺度範圍內，其密度往往具有標度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結構，在氣凝膠分形結構動力學研究方面的結構還表明，在不同尺度範圍內，有三個色散關係明顯不同的激發區域，分別對應於聲子、分形子和粒子模的激發。改變氣凝膠的製備條件，可使其關聯長度在兩個量級的範圍內變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結構及其動力學行為的最佳材料。

1、在“863”高技術強激光研究方面

納米多孔材料具有重要應用價值，如利用低於臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發產生的X光激光的光束質量，節約驅動能，利用微球形節點結構的新型多孔靶，能夠實現等離於體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子複合機制 產生的x光激光的增益係數，利用超低密度材料吸附核燃料，可構成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的納米多孔網路結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，成為研製新型低密度靶的最佳候選材料。

2、在作為隔熱材料方面

硅氣凝膠纖細的納米網路結構有效地限制了局域熱激發的傳播，其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅係數之比達100以上，能有效地透過太陽光，並阻止環境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建築物節能方面已經得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0．013w/m·K，是目前熱導率最低的固態材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時的熱導率僅為0．03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進一步發展。

由於硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變範圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1．5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發生器和探測器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料．可提高聲波的傳輸效率，降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30 dB，如果採用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。

在環境保護及化學工業方面。納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分佈均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由於該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

3、在儲能器件方面

有機氣凝膠經過燒結工藝處理后將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以後發展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2/kg)和高電導率(10—25 s/cm)．而且，密度變化範圍廣(0.05—1.0 g/cm3)．如在其微孔洞內充入適當的電解液，可以製成新型可充電電池，它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重複使用等優異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反覆充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應研究方面。由於硅氣凝膠的納米網路內形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，並觀察到很強的可見光發射，為多孔硅的量子限制效應發光提供了有力證據。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研製新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米複合相材料的有效手段。

此外，硅氣凝膠是折射率可調的材料，使用不同密度的氣凝膠介質作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料並逐步減速，實現“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料，除硅氣凝膠外，已研製的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠。作為一種獨特的材料製備手段，相關的工藝在其它新材料研製中得到廣泛應用，如製備氣孔率極高的多孔硅、製備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導材料、超細陶瓷粉末等。

2013年國際上關於氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實驗室等。國內主要集中在同濟大學波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。

1、製作火星探險宇航服

2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產更結實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠製造的宇航服。該公司的資深科學家馬克·克拉傑沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那麼它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恆溫材料。”馬克如是說。

2、防彈不怕被炸

防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那麼，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

3、可處理生態災難

環保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學家新發明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當時用上這種材料的話，那麼就不會導致整個海岸受到嚴重的污染。

4、網球拍擊球能力更強

新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經成功研發了含有氣凝膠的網球拍。這種網球拍據說擊球的能力更強；2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個將氣凝膠用於住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調的溫度下降了5℃，結果室內的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋裡也有一層這種新材料。

浙江大學高分子系高超教授的課題組製備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄，擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克（拋出空氣密度），僅是空氣密度的1/6。專家介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀錄的最輕的一類物質，因其內部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。 1931年，美國科學家用二氧化硅製得了最早的氣凝膠，外號“凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作製備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創下了當時最輕材料的紀錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形。我國的石墨儲備非常豐富，佔全世界的2/3。科學研究人員一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構成的單層片狀結構），其價值可以上升數千倍。”高超的課題組經過五六年的探索，製備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三維多孔材料來打破這美國科學家的紀錄。

● 製作簡便，其形狀、尺寸可任意調節

在世界已誕生的成果中，高超課題組製備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者。可達到0.16毫克/立方厘米，低於氦氣的密度。

● 大規模製造成可能

科學家聲稱，氣凝膠的基本製備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往製備氣凝膠的案例中，科學家主要採用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；後者能產生有序的結構，但依賴於模板的精細結構和尺寸，難以大量製備。

高超課題組另闢蹊徑，探索出無模板冷凍乾燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，並且可以任意調節形狀，令生產過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規模製造和應用成為可能。

● 性能優越，高彈性、強吸附，應用前景廣闊

據專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。 20世紀，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效複合材料。不過很難準確預計其應用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想象力，讓這個新材料走出實驗室，實現應用價值。