气凝胶

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气凝胶　　
【英文】aerogel

　　又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。

　　 美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶，作为世界最轻的固体，近日正式入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为3.55千克每立方米，仅为空气密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。这种物质看上去像凝固的烟，但它的成分与玻璃相似。由于它的密度极小，用于航空航天方面非常合适。

　　美宇航局喷气推进实验室发布的新闻公报说，该实验室琼斯博士  
研制出的新型气凝胶，主要由纯二氧化硅等组成。在制作过程中，液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥，并经过加热和降压，形成多孔海绵状结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了99.8％。

　　气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受1400摄氏度的高温。气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上，都用到了气凝胶材料。

　　新入选吉尼斯世界纪录的气凝胶材料，特性比以往有所改进。此前，世界最轻固体的纪录由另一种气凝胶保持，它的密度为每立方厘米5毫克。

　　气凝胶：固体也能轻如烟

　　最轻的固体：气凝胶

　　美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶，由于密度只有每立方厘米3毫克，日前已经作为“世界上密度最低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》。

　　这种气凝胶呈半透明淡蓝色，重量极轻，因此人们也把它称为“固态烟”。

　　新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”材料科学家史蒂芬·琼斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅，但因为它99.8％都是空气，所以密度只有玻璃的千分之一。

　　别看这种气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性，气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料，俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行热绝缘。

　　气凝胶在航天中的应用远不止这些，美国国家宇航局的“星尘”号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命———收集彗星微粒。科学家认为，彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古老的物质，研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。2006年，“星尘”号飞船将带着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球。

　　但收集彗星星尘并不是件容易的事，它的速度相当于步枪子弹的6倍，尽管体积比沙粒还要小，可是当它以如此高速接触其它物质时，自身的物理和化学组成都有可能发生改变，甚至完全被蒸发。如今科学家有了气凝胶，这个问题就变得很简单了。它就像一个极其柔软的棒球手套，可以轻轻地消减彗星星尘的速度，使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。在进入“气凝胶手套”后，星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹，由于气凝胶几乎是透明的，科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。

　　化学家打赌时发明气凝胶

　　气凝胶俗称“冷冻烟雾”，将硅胶中的水提取出来，然后用诸如二氧化碳之类的气体取代水的方法制成的。得到的这种物质有很好的隔热能力，还能吸收象原油一样的污染物。它由一位美国化学家于1931年在打赌时发明出来，但早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要在实验室里使用。直到10年前美国宇航局开始对这种物质感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这种材料终于走出了实验室。

　　1999年，美国宇航局给其“星尘”(Stardust)号探测器装备了一种塞满气凝胶的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的尘埃。去年，该探测器满载尘埃样本返回地球。2002年，美国宇航局创立的阿斯彭气凝胶(Aspen Aerogel)公司生产了一种更坚固、更柔韧的气凝胶。现在它正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里，派宇航员登陆火星预定于2018年进行。该公司的一位资深科学家马克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材料。”

　　除此之外，现在还在用气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲的测试。在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属板在**爆炸中几乎毫发无损。它还有环保的优点。气凝胶被科学家们描述为“终极海绵”，其表面的数百万小孔使其成为在水中吸附污染物的理想材料。卡纳茨迪斯已经研制出一种新型气凝胶，用于除去水中的铅和水银。其它形式的气凝胶可吸附溢出的油。他乐观地认为，可以用它来处理一些环境灾祸，象发生在1996年的Sea Empress号溢油事故，当时，72000吨原油倾泻在英国彭布鲁克郡米尔福德港口沿岸。

　　

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气凝胶正走进日常生活　　气凝胶也正走进我们的日常生活。运动器材公司邓禄普(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶加固的壁球和网球球拍，据说这种球拍能释放更大的力量。今年初，英国诺丁汉66岁的鲍勃·斯托克尔拥有了一套用气凝胶隔热的房子，他也因此成为拥有这种房子的第一位英国人。他说：“保温效果大大改善了。我把自动调温器调低了5度。这真是一个不可思议的变化。” 　　登山者也开始从气凝胶中受益。去年，一位英国登山者安妮·帕曼特尔穿上带气凝胶鞋垫的靴子爬上珠穆朗玛峰，就连睡袋也加有这种材料。她说：“我唯一的问题就是我的脚太热，这对一名登山者来说是一个大难题。” 　　不过，它还没能征服时尚界。Hugo Boss公司推出了一系列用这种材料制成的冬季夹克，但在消费者纷纷抱怨这种衣服太热之后不得不下架。　　尽管气凝胶属于一种固体，但这种物质99%是由气体构成，这使得它外观看起来像云一样。科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。　　气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。　　在分形结构研究方而，硅气凝胶作为一种结构可控的纳米多孔材料，其表现密度明显依赖于标度尺寸，在一定尺度范围内，其密度往往具有标度不变性，即密度随尺度的增加而下降，而且具有自相似结构，在气凝胶分形结构动力学研究方面的结构还表明，在不同尺度范围内，有三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应于声子、分形子和粒子模的激发。改变气凝胶的制备条件，可使其关联长度在两个量级的范围内变化。因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳材料。　　在“863”高技术强激光研究方面，纳米多孔材料具有重要应用价值，如利用低于临界密度的多孔靶材料，可望提高电子碰撞激发产生的X光激光的光束质量，节约驱动能，利用微球形节点结构的新型多孔靶，能够实现等离于体三维绝热膨胀的快速冷却，提高电子复合机制产生的x光激光的增益系数，利用超低密度材料吸附核燃料，可构成激光惯性约束聚变的高增益冷冻靶。气凝胶纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控，成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。　　在作为隔热材料方面，硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w／m·K，是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料，800K时的热导率仅为0．03w／m·K，作为军品配套新材料将得到进一步发展。　　由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103—107 kg／m2·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料，如常用声阻匝Zp=1．5×l07 kg／m2·s的压电陶瓷作为超声波的发生器和探测器，而空气的声阻只有400 kg／m2·s。用厚度为l／4波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料．可提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比。初步实验结果表明，密度在300 kg／m3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。　　在环境保护及化学工业方面，纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ，与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀，气孔率高，是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表而积．气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。　　在储能器件方而，有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面积(600—1000 m2／kg)和高电导率(10—25 s／cm)．而目．密度变化范围广(0.05—1.0 g／cm3)．如在其微孔洞内充人适当的电解液，可以制成新型可充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性，初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达3×104／kg2，功率密度为7 kw／kg，反复充放电性能良好。　　在材料的量子尺寸效应研究方面，由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构，化学气栩渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明，掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射，为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应，可进一步研制新型激光防护镜。通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效手段。　　此外，硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子很容易穿人多孔材料并逐步减速，实现“软着陆”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子，可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒子。　　作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室等。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学以及浙江省绍兴市的纳诺高科股份有限公司。

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