可以从阳光中获取更多热量的气凝胶

友绿人友绿网 2022-06-01

气凝胶，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。气凝胶也具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。

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。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，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。

近日，麻省理工学院新开发的一种新材料开启了太阳能的许多新用途。借由这种新材料产生的温度，要比传统太阳能收集器收集到的热量要高得多——足以用于家庭供暖，或应用于需要200多摄氏度(392华氏度)的热工业过程。这一过程的关键就是是采用了一种新型气凝胶，这种材料可以让阳光很容易地通过，但却阻止了太阳热量的流失。

有效收集太阳能需要在保持外部温度的同时保持内部温度。其中一种方法是利用一层玻璃和一种深色吸热材料之间的真空层来完成这一过程，这也是许多聚光太阳能收集器用到的方法，但安装和维护相对昂贵。研究人员对寻找一种成本较低的被动系统非常感兴趣，他们希望这种系统可以在空间加热、食品加工或许多工业过程所需的较高温度水平下收集热量。气凝胶是一种由二氧化硅颗粒制成的泡沫状材料，多年来一直被开发为高效、轻质的绝缘材料，但它们对可见光的透明度通常有限，传输率在70%左右。

开发一种新型透明气凝胶来收集太阳能是一个漫长而艰难的过程，几位研究人员参与了大约四年的时间。但其结果是喜人的。气凝胶在保持其高度绝缘性能的同时，可以穿透95%以上的入射阳光。制造这种气凝胶的关键在于控制制造气凝胶所用不同材料的比例。

研究人员发现，制造一种比传统气凝胶干得快得多的混合物，会产生一种颗粒间隙更小的凝胶，因此散射的光要少得多。在麻省理工学院校园屋顶上进行的测试中，一种由被一层新型气凝胶覆盖的黑色吸热材料构成的被动装置吸热温度能够达到并保持220摄氏度。当时正值冬季，室外空气温度低于0摄氏度。在此之前，这种高温只能通过使用聚光系统来实现，这种聚光系统使用镜子将阳光聚焦到中心线或中心点上，但这种被动系统不需要聚光，因此更简单，成本也更低。

这有可能使这种装置在需要更高热量的应用中发挥作用，例如，简单的屋顶集热器通常用于家庭热水，产生的温度约为80摄氏度，但气凝胶系统提供的较高温度可以使这种简单系统用于家庭供暖，甚至为空调系统供电。大规模的使用可以为化学、工业生产过程提供热量。研究人员将气凝胶层的基本功能描述为“类温室效应”。用来提高温度的材料就像地球大气层提供绝缘一样，但这是一个极端的比喻。

在大多数情况下，无源集热系统将连接到含有液体的管道上，液体可以循环将热量传递到任何需要的地方。另一种选择是，对于某些用途，该系统可以连接到热管，这种装置可以在不需要泵或任何移动部件的情况下远距离传输热量。由于原理本质上是相同的，基于气凝胶的太阳能集热器可以直接取代一些现有应用中使用基于真空的集热器，从而提供一种成本更低的选择。制作气凝胶所用的材料都是较为低廉的，这个过程中比较昂贵的部分是干燥。

研究人员称，这需要一个称为临界点干燥器的专门设备，是一个非常精确的干燥过程，从凝胶中提取溶剂，同时保持其纳米级结构。因为这是一个批量生产的过程，如果该被动系统扩大到工业生产水平，可能会由于成本原因限制生产速度。因此，扩大规模的关键是如何降低这一过程成本。但即使是现在，初步的经济分析表明，该系统在某些用途上在经济上是可行的，特别是与基于真空的系统相比。

气凝胶卓越的隔热保温性能使得他在电化学、服装、新能源、催化剂等方面也有十分强大的应用潜力。由于气凝胶的孔隙都是纳米级的，比表面积很大这使得他吸附能力较大，可以在用来做催化剂的载体；由于其吸附性，同时密度极低，所以也可以用来储氢；他良好的保温性可以用来制作服装，只需要很薄的一层就可以达到很好的保温效果；防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，那么，就算炸药直接炸中，对金属片也分毫无伤；环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。

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