氣凝膠（aerogels），可能是地球上最獨特的物質(zhì)。它的出現(xiàn)始于上個世紀(jì)20年代，由美國化學(xué)教授 Samuel Kistler在一次和同事Charles的打賭中制得。氣凝膠雖然輕如鴻毛——吉尼斯世界紀(jì)錄中現(xiàn)存的最輕的固體，但它卻擁有著鋼鐵般的強度，能承受超過自身500~4000倍的重量！氣凝膠不僅具有良好的延展性（如果一立方英寸的氣凝膠能平鋪展開，它足以覆蓋一整個足球場），還擁有透氣、防火、吸收油和水的優(yōu)良性質(zhì)。它甚至還能作為很好的導(dǎo)電體，而改變組分后又能作為最優(yōu)良的絕緣體之一。我的天哪！居然有這么多優(yōu)點！可為什么氣凝膠（Aerogels）的知名度沒能和它的首字母一樣，位居榜首呢？

    這是由于生產(chǎn)氣凝膠需要花費大量的時間和金錢，并且每次只能生產(chǎn)極少量的氣凝膠。盡管批量生產(chǎn)氣凝膠會稍微降低成本，但1cm2的加工費依然高達1美元，每磅氣凝膠的費用更是高達23000美元，這一價格甚至高于黃金！

    這樣高價的產(chǎn)品似乎會連同鉆石珍珠一起收藏進王室名媛的珠寶盒里。不過，比起作為社會名流的飾品，氣凝膠更多的是用作火箭的隔熱材料或者是增厚漆。也許氣凝膠不如黃金那么耀眼，但它們絕對擁有無與倫比的使用價值。

    本文我們將在上個世紀(jì)20年代氣凝膠首次在加州被發(fā)現(xiàn)開始，到1999年其被用于收集太空塵埃的幾十年中，探索到底是什么造就了獨一無二的氣凝膠。另外，如果確實能找到辦法讓氣凝膠對更為實惠，甚至尋常百姓也能承擔(dān)，那么我們便可以展望氣凝膠的未來。

    氣凝膠簡史

    關(guān)于氣凝膠的傳奇故事眾說紛紜。但公認(rèn)的是上世紀(jì)20年代，來源于Samuel Kistler教授與同事Charles Learned之間的賭局。Kistler 認(rèn)為物體之所以呈凝膠狀，并非由于它的液體屬性而是結(jié)構(gòu)所致：特指納米微孔網(wǎng)絡(luò)。要證明這一點其實很簡單，即蒸發(fā)掉凝膠內(nèi)部全部的液體，剩下類似海綿蛋糕的結(jié)構(gòu)，最后讓空氣代替液體填滿凝膠間隙。然而凝膠原有的結(jié)構(gòu)并沒有被破壞，這也是那次打賭的結(jié)果。經(jīng)過數(shù)次實驗的失敗，Kistler 終于成功地用氣體代替液體，創(chuàng)造了一種呈現(xiàn)凝膠結(jié)構(gòu)且不含有任何液體的物質(zhì)。并于1931年，首次公開他的發(fā)現(xiàn)。

    氣凝膠的制備始于醇凝膠——乙醇填充了其中孔隙，它屬于硅系凝膠的一種。實驗上通過超臨界干燥法得到的氣凝膠，這既能完全除去乙醇，還能保持凝膠的初始結(jié)構(gòu)。空氣占據(jù)氣凝膠中50%~99%的體積，因此它才獲得如此輕質(zhì)靈活的特性。

    氣凝膠種類

    硅系、碳系、金屬氧化物系是目前三種最常見的氣凝膠種類，其中，硅系氣凝膠被廣泛用于實驗以及實際應(yīng)用之中。當(dāng)人們談及氣凝膠時，大多數(shù)情況是在討論硅系氣凝膠。硅系氣凝膠外觀呈現(xiàn)天藍色，這是因為白光透過二氧化硅分子時發(fā)生了散射，使得硅系氣凝膠呈現(xiàn)天空般的色彩。

    和藍煙狀的硅系氣凝膠不同，碳系氣凝膠呈黑色，觸感類似木炭，其在超級電容器、燃料電池以及海水淡化系統(tǒng)等領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值。

    金屬氧化物系氣凝膠由金屬氧化物組成，隨著金屬氧化物種類的不同，氣凝膠也呈現(xiàn)出不同的色彩。它們常被用作化學(xué)反應(yīng)的催化劑，以及炸藥和碳納米管的生產(chǎn)，有些甚至還擁有磁性。

    航空領(lǐng)域的應(yīng)用

    1999年，NASA發(fā)射了著名的“星塵”號探測器。探測器上利用260個氣凝膠立方體捕獲高速運動的彗星塵埃顆粒，當(dāng)顆粒轟擊塵埃收集裝置時，在氣凝膠的緩沖下慢慢停止，最后在氣凝膠上成功保存了塵埃初始的狀態(tài)，并留下運動軌跡，便于科學(xué)家找到宇宙微粒。

    氣凝膠的多項功能令其在地球上和太空中都有著重要的作用。無論是“火星探路者”探測器電氣裝置的隔熱板，還是從高速運動的彗星上獲得太空塵埃，氣凝膠已在NASA賦予的使命中扮演了不可或缺的角色。

    生活中的氣凝膠

    氣凝膠最初的商業(yè)用途主要是用作增稠劑，涉及化妝品、涂料、汽油凝固劑、香煙濾嘴以及制冷劑隔熱板。Monsanto是第一家將氣凝膠用于商業(yè)的公司，當(dāng)時氣凝膠的生產(chǎn)過程不僅費時費錢，還具有危險性。于是在30多年后的上世紀(jì)70年代，該公司于宣布終止對氣凝膠的生產(chǎn)。

    但氣凝膠的故事并沒有完結(jié)，隨著生產(chǎn)工藝的改良，氣凝膠再次獲得商業(yè)價值，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，連科學(xué)家也對氣凝膠產(chǎn)品產(chǎn)生了好奇心。

    由于氣凝膠獨特的結(jié)構(gòu)，它可以作為一種優(yōu)良的隔熱裝置。它的超隔熱氣泡結(jié)構(gòu)幾乎完全抵消了三類熱傳遞方式。令人欣慰的是，即使現(xiàn)在氣凝膠仍然很貴，但研究表明，以氣凝膠為原料的隔熱裝置，如果用于墻構(gòu)架或者類似窗戶遮雨板這些難以隔熱的區(qū)域，還是能夠幫助住戶每年省下750美金的費用。除了省錢，氣凝膠隔熱裝置可以幫助你大大降低碳排放量。雖然現(xiàn)在NASA已經(jīng)能夠負(fù)擔(dān)得起氣凝膠的費用，但是各種公司還在努力降低成本，以達到普通民眾也能接受的價格。目前只有一些建筑公司、電力工廠以及提純廠將氣凝膠投入使用，或許當(dāng)人人能買得起氣凝膠的時候，它就能成為首選材料了吧。

    未來的氣凝膠長什么樣

    雖然氣凝膠很貴，研究者卻始終嘗試著各種方法以提高它的強度，降低成本和危險性。2002年，密西西里大學(xué)的教授Nicholas Leventis驚艷了科學(xué)界，他聲稱發(fā)明了一種方法制造無脆性氣凝膠。這就是著名的x-aerogels，它不僅更加強韌，且能防水，抗沖擊。不足之處在于x-aerogels的生產(chǎn)過程不夠經(jīng)濟環(huán)保。

    另外，氣凝膠有助于推動綠色科技。碳系氣凝膠在超級電容，高效汽車燃料電池有很大的應(yīng)用潛能。事實上，碳系氣凝膠的儲能量能引起一波技術(shù)革新，前提就是氣凝膠的成本可以滿足用于大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。

    還有一則好消息就是，即使你不是資金充裕的科學(xué)家，你也能生產(chǎn)氣凝膠。雖然在家制作并非不可，但是最理想的場所還是實驗室，因為這里的原料一應(yīng)俱全，包括用于超臨界干燥氣凝膠的高壓鍋（如果對自己的動手能力足夠自信，點擊How is Aerogel Made?閱讀，自己動手搭高壓鍋的方法）。

    少數(shù)網(wǎng)站也提供了自制氣凝膠的方法，比如加州大學(xué)的aerogel.org。但是，無論你在哪里制作氣凝膠，切記注意安全——一定要佩戴護目鏡、手套、長褲、不露腳趾的鞋以及油漆工專用面罩以保護自己免受有害氣體和易燃品的傷害。

    氣凝膠，還有什么是你不能做的呢？希望你在未來普通民眾的生活中有一席之地吧！