神奇的气凝胶

来源：高分子物理学

气凝胶是一种非常神奇的材料，如果你将一块气凝胶材料放在脆弱的花蕊上，花蕊甚至不会发生弯折。而气凝胶如此之轻是因为它的内部包含了无数细小的孔，这些小孔小到直径只有几微米甚至几纳米，并且所有孔的体积就占据了整个气凝胶的绝大部分体积，占比高达百分之九十九以上。所以气凝胶也是世界上密度最低的人造固体材料，被称为“固态烟雾”（solid smoke）。

虽然气凝胶百分之九十以上都是空气，只有剩下的百分之十是固体，但它却可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200℃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。下图是2013年由浙江大学科研人员利用碳纳米管和石墨烯制备出了一种超轻气凝胶，取名为“碳海绵”,是目前世界最轻的材料。在真空中，1立方厘米的碳海绵只重0.16毫克，而相同体积普通空气的重量是它的7倍左右，比同体积的氦气还要轻。因此可以看到，100立方厘米大小的碳海绵“踩”在狗尾草上，连绒毛几乎没有被压弯。
此外，气凝胶还是一种非常优秀的隔热材料，在上千度的高温下才会融化，如下图所示，在火焰的炙烤下，处在气凝胶上方的花朵仍然丝毫未损。

基于以上两点卓越的性能，即重量轻和隔热性好，所以不难想象，如果衣服可以采用气凝胶的材质，那它就是生活在严寒地区的人们的福音。可以褪去厚重的棉服，穿上一身温暖的气凝胶防寒服，最神奇的是这件保暖性极佳的衣服甚至还不到一公斤。016年国外一家公司推出一款气凝胶防寒服。3mm厚的防寒外套具有和40mm鸭绒外套相同的保温效果。重约1.1公斤，在零下196摄氏度的液氮测试中，其内部还能保持约32摄氏度的温度。气凝胶的制备方法四川大学王玉忠院士/赵海波团队以可再生的海藻酸铵和植酸为原料，经过氢键作用和冻干步骤成功地制备了全生物质基气凝胶。植酸既充当阻燃剂，又能作为交联剂与海藻酸铵基质形成交联网络，所得低密度（0.052g/cm³）的气凝胶表现出远高于其它生物质气凝胶的超高机械模量（25.1±3.1MPa）和比模量（440.4±54.4 Mpa cm³g^-1）。由于具有均匀的三维多孔网络结构，该气凝胶表现出超低导热系数（34-38 mW/mK）以及卓越的隔热性能。而且，植酸的引入赋予了气凝胶高阻燃性（极限氧指数为57%、UL94达到V-0等级以及极低的散热效率），并将材料的生物降解性保持在高水平（降解速率为91.43%），有利于环境安全。基于超高机械模量、阻燃性、隔热性和生物降解性等特性，该全生物质基气凝胶在建筑保温材料方面具有广阔前景。由于原材料成本低、加工性能好，该工作为制备高机械强度、阻燃且环保安全的隔热材料提供了绿色、可放大的新方法。
图1. (a)制备AL5PAX气凝胶的示意图；(b)PA与AL间交联氢键的形成.
图2. (a-c)AL5、PA和P5PA1的样品瓶倒转试验；(d)将轻质AL5PA1气凝胶置于羽毛上；(e) PA溶液、AL5气凝胶和AL5PA1气凝胶的FTIR谱图；(f) 不同温度下，AL5PA1气凝胶FTIR.
图3. (a-f)AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的SEM图片. AL5气凝胶(g-i)和AL5PA1气凝胶(j-l)的元素mapping图.
图4. AL5PA1气凝胶机械性质的直观图气凝胶的应用长春应用化学所陈卫研究员发表在分析化学杂志《Analytical Chemistry》上的一篇文章题目是'Three-Dimensional Mesoporous Graphene Aerogel-Supported SnO₂ Nanocrystals for High-Performance NO₂ Gas Sensing at Low Temperature' , 其提出了基于石墨烯气凝胶载体的SnO₂颗粒用于空气中NO₂气体监测的应用。原理如下：SnO₂（半导体）在还原性气体氛围下导电性增加，在氧化性气体氛围下导电性减弱，但目前SnO₂的一些缺点限制了其应用，例如室温下导电性差，基于SnO₂的气体传感器工作温度高（H₂：170-200℃，CO: 200℃），合成过程中SnO₂容易团聚导致性能降低等。而利用石墨烯气凝胶作为载体，然后负载上SnO₂颗粒后几乎完美地解决了这些问题，首先导电性得到很大提高，其次阻止了其团聚，连工作温度都下降到了50℃，使得在常温下应用成为可能。
在100ppm NO₂氛围下的实验：on表示输入气体，off表示关闭气体输入，可以发现其电阻变化值能够在较短时间内（less than 6mins）在确定温度下给出确定的响应，并且再移出气体氛围后经过一定时间可恢复重复使用。
此图为此气凝胶在不同温度下所需的反应时间和恢复时间而在确定温度时，此气凝胶对NO₂气体浓度的响应几乎是线性的。气凝胶因原料经济易得、产品安全稳定、绝热性能优异，相对传统保温材料，气凝胶毡具有柔软、易裁、密度小、无机防火、整体疏水、绿色环保等特性，其可替代玻璃纤维制品、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。所以气凝胶若是能解决成本过高的问题，一定能在未来的市场上站稳脚跟，届时其能带来的经济效益不可估量。[1]Xuetong Zhang, Edge-to-Edge Assembled Graphene Oxide Aerogels with Outstanding Mechanical Performance and Superhigh Chemical Activity, Small, 2013(9), 8, 1397–1404[2]Lei Li, Shuijian He, Minmin Liu, Chunmei Zhang, Wei Chen, Three-Dimensional Mesoporous Graphene Aerogel-Supported SnO2 Nanocrystals for High-Performance NO2 Gas Sensing at Low Temperature. Analytical Chemistry, 2015,87,1638-1645[3]Cao M, Liu B-W, Zhang L, PengZ-C, Zhang Y-Y, Wang H, Zhao H-B, Wang Y-Z, Fully biomass-basedaerogels with ultrahigh mechanical modulus, enhanced flame retardancy,and greatthermal insulation applications, CompositesPart B (2021)

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