凝固的烟:新材料—气凝胶

气凝胶是指通过溶胶凝胶法,用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料,是目前世界上密度最小的固体。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,曾作为“世界上密度最低的固体”入选《吉尼斯世界纪录》。


气凝胶被称为“凝固的烟”、“蓝烟”。曾被《科学》杂志誉为“可以改变世界的神奇材料”。由于里面的颗粒非常小(纳米量级),所以可见光经过它时散射较小(瑞利散射),就像阳光经过空气一样。


气凝胶凭借极低的密度、极小的孔径、极低的隔热系数、极低的声音传播速度等创下15 项“吉尼斯世界纪录”。气凝胶在航天探测上也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。


它的诞生源于美国科学家Steven. S. Kistler与朋友的一次打赌,看谁能够将果冻内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化。众所周知,如果直接通过蒸发将胶体中的液体与固体分离,由于毛细管力的强大作用,必然会导致固体的收缩和结构坍塌。经过不断的探索,Kistler终于用超临界干燥技术完美地解决了这个世界难题,制备了出世界上第一块SiO2气凝胶。1931 年,Nature 杂志上发表标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的正式问世。


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。


气凝胶从发现至今其技术步入成熟阶段,目前正处在产业化浪潮的快速发展中。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大,一些新兴应用不断开发出来,气凝胶市场日益成熟。2020年中国气凝胶制品产量约为12.6万吨,气凝胶材料产量约为10万立方米,气凝胶行业规模约29.9亿元。