密度比空气还小，它就是保暖隔热神器!
正文共2907字，预计阅读时间约为10分钟
也可点击右上角小圆点“听全文”，用耳朵聆听知识~
在人类历史发展的过程中，新材料的发现和发明对人类文明起到了至关重要的推动作用，目前对人类历史的一种粗略划分方式就是以材料名称划分的：石器时代，青铜时代和铁器时代。
进入20世纪以来，人类科技的快速发展也让新材料层出不穷，最近有一种材料创下了15项“世界之最”，其最耀眼的性能就是超轻与隔热，并因此在各个工业领域展现出了令人惊叹的应用潜力，这种物质就是气凝胶。
一块二氧化硅气凝胶 （图片来源：Wikipedia）
气凝胶最近的一项重要应用就是在航天上。2021年 “祝融号”火星车在登陆火星时，经历了“冰火两重天”的考验，火星车着陆阶段，发动机产生的热量使周围温度达到1000℃以上；巡视阶段，火星车要在-130℃的环境下工作。研究人员在火星车的表面铺设了大面积的气凝胶板，才能在如此极端的环境中为它保驾护航。如此优异的性能，也让气凝胶材料大放异彩。
气凝胶，最轻的固体
气凝胶是一种密度非常小的固体材料，因为密度太小，所以也被誉为“冻住的烟雾”“固态空气”“蓝烟”等。它是一种纳米级的多孔结构凝胶，其孔隙由气体填充，具有密度极低、透明度高、隔热性能优异等特点。
那么气凝胶是如何制造的呢？要得到它，首先需要制备湿凝胶（我们小时候爱吃的果冻就是一种常见的湿凝胶），再将里面的溶剂全部抽取出来同时保证其形状不改变，就能得到一个气凝胶了。当然最难的部分也是如何去除液体而只保留固体骨架。
气凝胶与湿凝胶（图片来源：作者）
1931 年，加利福尼亚州太平洋学院 Kistler 教授首先采用超临界干燥技术制得了人类历史上的首个有记录的气凝胶。这个技术的关键在于超临界流体的奇特性质。当溶剂在特定的温度和压力下，到达液态和气态临界点，成一种超临界流体，处于超临界状态的溶剂无明显表面张力，从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构。
超临界干燥是在干燥介质的临界压力和临界温度条件下进行整个干燥过程的技术手段。通常湿凝胶首先被置于一个高压容器内，在超临界状态下，介质流体(通常为二氧化碳)渗入被干燥物体的内部，温和、快速地与溶剂分子进行交换，将溶剂替换出来，然后再通过改变操作参数将流体从超临界态变为气态，从被干燥原料中释放出来，由于溶剂没有气液相分离，所以它可以很平和地离开凝胶孔隙，不会破坏凝胶的结构从而实现干燥的效果。
气凝胶具有三维网络结构，类比于多孔海绵，只是海绵的空隙肉眼可见，而气凝胶空隙结构为纳米尺寸。目前制得的气凝胶孔隙率一般在 80% ~ 99.8%，典型孔洞尺寸在 50 nm 范围内。它的密度比任何其他物质都要小，真空状态下甚至比空气还要小。如果把最轻的气凝胶放在盛开的鲜花上，花蕊都不会被压弯。
中国的科学家最近利用含有石墨烯和碳纳米管的水溶液成功制备了全碳气凝胶，它是目前世界上密度最小的固体物质。这种气凝胶的密度为0.16mg/cm3，只有空气密度的1/6。气凝胶同时具有三维纳米骨架结构，其各向异性三维网络连接处保证了其具有高弹性，正因为如此，它可以承受很大的压力而不会受到破坏。
不同气凝胶的微观表征图（图片来源：作者）
气凝胶是怎么隔热的？三种武器
要明白气凝胶的隔热方式，首先我们需要复习一下初中物理知识：热传递。热传递的方式有三种：热对流、热辐射、热传导。
热对流发生在流体中，热微粒通过流动的介质从空间的一处向另一处传播热能的现象；热辐射是具有温度的物体辐射电磁波的现象，温度越高，辐射出的电磁波能量就越高；热传导，物体中的粒子相互碰撞，使得热量从温度高的部位传到温度低的部位。
热传递三种机制 图片来源：Wikipedia
气凝胶隔热就从这三方面入手，其独特的结构使其具备了以下三种隔热的“武器”：
“零对流”效应：热传导主要是通过气体分子不断的碰撞而传递能量，科学上把气体分子与周围分子不发生碰撞的可运动距离叫做分子自由程，空气的平均自由程为70 nm。而气凝胶内部的平均孔径约为 20-50 nm，大大小于空气自由程，因此对流传热很小的同时大幅度降低了气体热传导。
“无穷热隔板”效应：气凝胶的孔径是纳米级别的，虽然孔隙极其多，但是错落有致的孔隙使得没有“通孔”，无穷多的孔壁相当于遮热板，这样就使得热辐射传导的热量降到最低，再配合上特殊的反辐射物质，可更加有效阻隔辐射传热。
“无穷长路径”效应：热量只能顺着孔传递，无穷多的孔使得热传递的路径无限长，从而使得传递的热量趋于最低。当把气凝胶材料用于阻隔热量的时候，它纤细的骨架让热量传导变得非常困难，相当于让热量沿着羊肠小道在三维网络上走迷宫；而大量的纳米孔隙就像一个个单独的房间，把单个的气体分子关起来，让气体分子既不能流动也不能彼此接触，从而把对流传热消于无形。
用火焰枪炙烤气凝胶，放置于其上的蜡笔并不会融化，这说明了气凝胶的优秀隔热能力 （图片来源：NASA）
气凝胶可以用来干什么？你尽管想！
气凝胶已经从最初的SiO2气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。气凝胶材料按照组分不同可分为单组和多组分气凝胶，其中单组分凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶等其他种类气凝胶，而多组分气凝胶是指由两种及以上单组分气凝胶构成或者由纤维、晶须、纳米管等作为增强体的气凝胶复合材料。
气凝胶的连续三维网络结构使得其在热学、力学、声学、光学、电学、吸附等方面都显示出独特的性质，在各个领域都有着广泛的应用前景。
其中，最让人瞩目的就是在航空航天领域，由于孔隙率高、高比表面积、低密度、绝热性能好等优异理化性质，已经成功应用在长征火箭系列，火星车以及宇航服等。
（图片来源：作者）
最近浙江大学研究团队发明的比羽绒服更保暖“北极熊毛衣”登上顶刊杂志《科学》。科学家通过模拟北极熊毛的多孔结构，复合弹性热塑材料制备出一种封装气凝胶的超保暖人造纤维，真正实现了将保暖的气凝胶穿在身上。
不过要注意的是，目前市场上很多商家在冬季来临之际，也纷纷给衣服打上“气凝胶”的名号，标榜防寒能力，但实际的保温能力却往往不如人意。主要是气凝胶本征脆性，当前的“气凝胶”防寒服都是在衣料中掺杂部分气凝胶颗粒，但衣料中大量的空隙依然传递热量，保暖效果大大不及预期，甚至不如普通的羽绒服。此外还有材料无法机洗、在潮湿环境中易失去保温能力等一系列问题。所以，目前的“气凝胶羽绒服”是不是智商税，你懂的。
此外，在吸附分离方面，气凝胶由于其内部结构类似于海绵，拥有很强的吸附能力。“碳海绵”可以任意调节形状，弹性也很优异，被压缩 80% 后仍可恢复原状。全碳气凝胶能够吸附达到自身重量900倍的石油，每年在海面上都有发生大量原油污染而无法处理，因此将来可以用来制造吸附石油的工具。
另外，气凝胶在电力和化学方面也具有重要应用，多孔碳气凝胶的三维网络结构不仅可以形成电荷运输的高端导电通道，同时也可以作为掺杂或包覆各种有机或无机活性材料的骨架，在化学生产中一旦作为催化剂固定床，就能大大增加催化反应面积，从而增加化学反应速率。
最后，由于气凝胶具有高孔隙率，同时还具有生物机体相容性及可生物降解特性，因而还在医学领域具有广泛用途。
气凝胶的应用领域（图片来源：作者）
当然，气凝胶领域还不够成熟，还需要开展大量的研究工作，例如凝胶在陈化（液体固化处理）过程中所发生的物理化学变化不清楚，各种制备参数对其性质的影响规律尚有待进一步的探索，可塑造性不强。但是相信在未来，气凝胶这种神奇的材料将为人类创造更加健康、智能、可靠和美好的生活环境。
参考资料：
[1] PIERRE AC, PAJONK GM. Chemistry of aerogels and their applications [J]. Chemical Reviews, 2002,102: 42434265.
[2] BLASZCZYNSKI T, SLOSARCZYK A, MORAWSKI M. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method [J]. Procedia Engineer, 2013, 57: 200206.
[3] BAG S, KANATZIDIS MG. Chalcogels: porous metal-chalcogenide networks from main-group metal ions.effect of surface polarizability on selectivity in gas separation [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132: 1495114959
[4] 章婷，赵春林等，气凝胶研究进展，Advanced Ceramics，1005-1198 (2018) 01-0001-39
作者：王振
作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn
推荐阅读
科学大院是中国科学院官方科普微平台，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声
主办机构：中国科学院学部工作局
运行机构：中国科学院计算机网络信息中心
技术支持：中国科普博览
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~