氣凝膠

在人類的發明史上，有許多發明的誕生極具偶然性。氣凝膠就是美國人基斯特勒受果凍的啟發而發明出來的。氣凝膠現在是一種炙手可熱的新材料，被譽為“改變世界的十大神奇材料”之一。

一次“打賭”催生出氣凝膠

基斯特勒系美國科學家、發明家、化學工程師、教育學家。他的興趣十分廣泛，一生成果頗豐，僅取得的專利就有60多項，其中對后世產生重要影響的要數氣凝膠了。

說起果凍，人們都不會陌生。基斯特勒關注果凍的視角非常特別，他想到這樣一個問題：既然果凍的主要成分為水，含量可高達99.5%，那么為什么其中的水不會析出呢？

果凍其實是一種水凝膠。所謂凝膠，是指溶膠失去流動性后變成的一種富含液體的半固態物質。基斯特勒認為，一定存在著許多無形的“容器”，把水分困在其中，這種特殊的“容器”是由明膠分子組成的立體網格。但問題是，由明膠分子組成的立體網格怎么能兜住那么多的水？原來，果凍網格內的水分子是由表面張力拉住的，并且這種表面張力的大小，正好讓水既無法掙脫又可以晃動，這樣才有了果凍顫巍巍的質感。

1931年，基斯特勒和他的同事查爾斯打了一次“賭”，看誰能用氣體把果凍罐里的液體給換掉，而又不能導致凝膠的結構崩潰。這看似一個漫不經心的科技笑談，實際上卻是對他們天才思想的考驗。在當時的科技條件下，他們是如何實現科技突破的呢？基斯特勒首先要做的就是弄清楚凝膠的網格與其中的水是不是一個整體，也就是說把液體拿走了凝膠的立體網格會不會被破壞？為此，基斯特勒進行了一系列的實驗。

實驗證明，果凍內的液體是連成一體的，并且可以被替換成其他液體。這說明果凍內的網格與液體可能是相互獨立的。下面的問題就是如何用氣體換掉果凍里的液體了。用蒸發的辦法去除果凍里的液體顯然是不可行的，因為蒸發一定會導致凝膠網格的破壞。基斯特勒的突圍之策是超臨界干燥法。超臨界干燥法是指通過壓力和溫度條件的控制，讓液體在臨界溫度之上完成從液相至氣相的轉變，并依靠壓力作用來抑制氣相的逸散。

不過，基斯特勒總感覺用明膠做成的氣凝膠太過脆弱，可能不會有什么應用前景。于是，基斯特勒選擇硅膠作為實驗對象，利用超臨界干燥法去除了硅膠中的液體成分，從而成功地制成了世界上第一個真正意義上的氣凝膠。這種二氧化硅氣凝膠的結構中，98%是空氣。此后，基斯特勒又成功制備了氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、明膠、瓊脂、橡膠等氣凝膠。

“固態的煙”

氣凝膠是當今世界已知的最輕的固體材料，以超高的比表面積和極低的導熱系數而聞名。氣凝膠的比表面積可高達1000平方米/克；氣凝膠的密度可低至0.003克/立方厘米；氣凝膠的隔熱性能優良，1寸厚的摻入部分碳元素的硅膠相當于二三十塊普通玻璃的隔熱性能。

氣凝膠之所以具有如此神奇的性能，就在于氣凝膠中絕大部分成分為氣體。這使得氣凝膠看上去呈云霧狀，又被稱為“固態的煙”“固態云”。我們知道，空氣為熱的不良導體，因此氣凝膠是優良的熱傳導隔絕材料（金屬凝膠除外）。一般來說，熱量的傳遞有熱傳導、對流和輻射三種途徑，而氣凝膠幾乎能阻止熱傳遞的所有途徑，從而達到其他材料無法比擬的絕熱效果。

生不逢時的氣凝膠

然而，基斯特勒的天才發明在當時并沒有引起人們的重視，因為這種材料的造價太過昂貴并且非常易碎，以致不得不沉睡在實驗室里。慢慢地，這種超級材料就被人們淡忘了。

可是，有一個人始終沒有忘。這個人就是它的發明人基斯特勒，他總感覺如此奇妙的材料在未來應該占有一席之地。他把氣凝膠的專利權授給了美國的孟山都公司，于1948年完成了一種粉狀的二氧化硅氣凝膠的開發，并將其命名為山都膠。在當時，氣凝膠主要是用作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑，也可用作油漆的增稠劑等。后來，山都膠還被用于墨水和涂料等行業，主要是利用氣凝膠的散光性而使墨水和涂料產生一種霧面的效果。山都膠還曾被用來充當綿羊用防蠅膏的增稠劑以及凝固汽油彈的乳化劑。

一個史上最出色的絕熱材料，一生下來就被邊緣化了。氣凝膠的命運陷入了低谷，生不逢時的氣凝膠終于被孟山都公司停產了。基斯特勒于1975年去世，最終沒有機會看到氣凝膠的出頭之日。

氣凝膠的峰回路轉

到了20世紀70年代后期，法國科學家泰希納等人在尋求一種能儲存氧氣及火箭燃料的多孔材料的過程中，發展了氣凝膠的制備技術。由于找到了一種更好的二氧化硅氣凝膠合成工藝，從而使得氣凝膠科學向前跨越了一大步。

到了20世紀90年代，由于有機氣凝膠和碳氣凝膠的誕生，以及德國科學家對氣凝膠在力學、熱學、光學、電學、聲學等方面的深入研究，為氣凝膠的應用提供了技術支撐。特別是美國國家航空航天局（NASA）對氣凝膠的青睞，讓氣凝膠的發展迎來了一個新的機遇。

1997年，氣凝膠首次被應用于“火星探路者”號探測器上，成為宇宙飛船的標準絕熱材料。1999年，一種塞滿氣凝膠的“棒球手套”搭乘“星塵”號探測器升空，主要任務就是捕捉來自彗星尾部的塵埃。2006年，該探測器完成任務返回地球，首次為人類帶回了彗星及星際塵埃粒子的樣本。這些塵埃粒子可能攜帶有46億年前太陽系誕生時最為原始的信息。2002年，NASA旗下的阿斯彭氣凝膠公司開發了一種新型氣凝膠，有望為人類登陸火星研制一種具有保溫隔熱功能的宇航服襯里。據說，宇航服涂上一層18毫米厚的這種氣凝膠之后，宇航員便能抵御零下130℃的低溫。

炙手可熱的新材料

由于氣凝膠具有極低的密度、高比表面積和高孔隙率，從而表現出獨特的光學、熱學、聲學以及電學性能，使其在航空航天、國防軍工、節能環保、石油化工等領域具有廣泛的應用。世界上的許多國家競相開發新型氣凝膠材料，使得氣凝膠已發展成為一個龐大的家族，如硅氣凝膠、碳氣凝膠、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠等。

在航空航天和國防軍工領域，氣凝膠的應用具有極大的優勢。氣凝膠保溫材料可作為飛機機艙的隔熱層材料，也可作為核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆、蒸發器、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管路系統的高效隔熱材料，可以增強隔熱效果，降低艙內溫度，增大艙內的使用空間。

2016年11月3日，我國新一代大運力運載火箭“長征”五號在海南文昌衛星發射中心成功首飛，氣凝膠新材料就發揮了重要作用：我國研發的高性能納米氣凝膠隔熱氈為火箭燃氣管路系統提供了有效的隔熱保溫手段。2017年4月26日，“天舟”一號貨運飛船升空時搭載了一個用于物資保存的低溫鎖柜，打造這個太空“冰箱”的隔熱保溫材料的主角同樣是氣凝膠。

在建筑領域，氣凝膠的隔熱、阻燃、疏水、隔音、減震、環保等優勢，非常適合于用作建筑節能墻體材料。在消防領域，應用氣凝膠材料可以大幅降低消防衣物器材的重量和體積，延長消防員在火場中的工作時間。在家電領域，應用氣凝膠材料可以縮小家電體積，提高節能效果和安全性能。在石油化工領域，應用氣凝膠材料可有效減少外保溫層的用量，并且由于具有極佳的憎水性而不會腐蝕保溫管道，從而可以降低后期的維護費用。將氣凝膠保溫氈應用于稠油高溫注汽開采管道保溫和煉化裝置介質管線的保溫，可有效減少施工對象的體積，從而顯著提高管道的排布率。

在城市集中供熱中，做好保溫工作對保證供熱質量，實現節能減排都具有重要的意義。氣凝膠直埋保溫管可廣泛應用于城市集中供熱的管道保溫，具有十分突出的優點。如氣凝膠直埋保溫管保溫性能好，熱損失僅為傳統管材的25%。氣凝膠直埋保溫管占地少，施工快，有利于環境保護，并且使用壽命可達20年。

在電力儲能領域，氣凝膠保溫材料也有用武之地。如在火力發電廠的能量轉換過程中，應用氣凝膠保溫材料可有效降低熱能的損失，從而提高熱源的利用效率。

我國的氣凝膠研究起步較晚，但發展速度很快，取得了一系列重要成果，有些甚至走在了世界的前列。2018年9月1日實施的《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》國家標準，是我國第一個關于氣凝膠材料的國家標準，必將為推動我國的氣凝膠產業化發揮積極的作用。