气凝胶的前世今生

苏更林

在人类的发明史上，有许多发明的诞生极具偶然性。气凝胶就是美国人基斯特勒受果冻的启发而发明出来的。气凝胶现在是一种炙手可热的新材料，被誉为“改变世界的十大神奇材料”之一。

一次“打赌”催生出气凝胶

基斯特勒系美国科学家、发明家、化学工程师、教育学家。他的兴趣十分广泛，一生成果颇丰，仅取得的专利就有60多项，其中对后世产生重要影响的要数气凝胶了。

说起果冻，人们都不会陌生。基斯特勒关注果冻的视角非常特别，他想到这样一个问题：既然果冻的主要成分为水，含量可高达99.5%，那么为什么其中的水不会析出呢？

果冻其实是一种水凝胶。所谓凝胶，是指溶胶失去流动性后变成的一种富含液体的半固态物质。基斯特勒认为，一定存在著许多无形的“容器”，把水分困在其中，这种特殊的“容器”是由明胶分子组成的立体网格。但问题是，由明胶分子组成的立体网格怎么能兜住那么多的水？原来，果冻网格内的水分子是由表面张力拉住的，并且这种表面张力的大小，正好让水既无法挣脱又可以晃动，这样才有了果冻颤巍巍的质感。

1931年，基斯特勒和他的同事查尔斯打了一次“赌”，看谁能用气体把果冻罐里的液体给换掉，而又不能导致凝胶的结构崩溃。这看似一个漫不经心的科技笑谈，实际上却是对他们天才思想的考验。在当时的科技条件下，他们是如何实现科技突破的呢？基斯特勒首先要做的就是弄清楚凝胶的网格与其中的水是不是一个整体，也就是说把液体拿走了凝胶的立体网格会不会被破坏？为此，基斯特勒进行了一系列的实验。

实验证明，果冻内的液体是连成一体的，并且可以被替换成其他液体。这说明果冻内的网格与液体可能是相互独立的。下面的问题就是如何用气体换掉果冻里的液体了。用蒸发的办法去除果冻里的液体显然是不可行的，因为蒸发一定会导致凝胶网格的破坏。基斯特勒的突围之策是超临界干燥法。超临界干燥法是指通过压力和温度条件的控制，让液体在临界温度之上完成从液相至气相的转变，并依靠压力作用来抑制气相的逸散。

不过，基斯特勒总感觉用明胶做成的气凝胶太过脆弱，可能不会有什么应用前景。于是，基斯特勒选择硅胶作为实验对象，利用超临界干燥法去除了硅胶中的液体成分，从而成功地制成了世界上第一个真正意义上的气凝胶。这种二氧化硅气凝胶的结构中，98%是空气。此后，基斯特勒又成功制备了氧化铝、氧化钨、氧化铁、氧化锡、酒石酸镍、明胶、琼脂、橡胶等气凝胶。

“固态的烟”

气凝胶是当今世界已知的最轻的固体材料，以超高的比表面积和极低的导热系数而闻名。气凝胶的比表面积可高达1000平方米/克；气凝胶的密度可低至0.003克/立方厘米；气凝胶的隔热性能优良，1寸厚的掺入部分碳元素的硅胶相当于二三十块普通玻璃的隔热性能。

气凝胶之所以具有如此神奇的性能，就在于气凝胶中绝大部分成分为气体。这使得气凝胶看上去呈云雾状，又被称为“固态的烟”。我们知道，空气为热的不良导体，因此气凝胶是优良的热传导隔绝材料（金属凝胶除外）。一般来说，热量的传递有热传导、对流和辐射三种途径，而气凝胶几乎能阻止热传递的所有途径，从而达到其他材料无法比拟的绝热效果。

生不逢时的气凝胶

然而，基斯特勒的天才发明在当时并没有引起人们的重视，因为这种材料的造价太过昂贵并且非常易碎，以致不得不沉睡在实验室里。慢慢地，这种超级材料就被人们淡忘了。

可是，有一个人始终没有忘。这个人就是它的发明人基斯特勒，他总感觉如此奇妙的材料在未来应该占有一席之地。他把气凝胶的专利权授给了美国的孟山都公司，于1948年完成了一种粉状的二氧化硅气凝胶的开发，并将其命名为山都胶。在当时，气凝胶主要是用作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂，也可用作油漆的增稠剂等。后来，山都胶还被用于墨水和涂料等行业，主要是利用气凝胶的散光性而使墨水和涂料产生一种雾面的效果。山都胶还曾被用来充当绵羊用防蝇膏的增稠剂以及凝固汽油弹的乳化剂。

一个史上最出色的绝热材料，一生下来就被边缘化了。气凝胶的命运陷入了低谷，生不逢时的气凝胶终于被孟山都公司停产了。基斯特勒于1975年去世，最终没有机会看到气凝胶的出头之日。

气凝胶的峰回路转

到了20世纪70年代后期，法国科学家泰希纳等人在寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多孔材料的过程中，发展了气凝胶的制备技术。由于找到了一种更好的二氧化硅气凝胶合成工艺，从而使得气凝胶科学向前跨越了一大步。

到了20世纪90年代，由于有机气凝胶和碳气凝胶的诞生，以及德国科学家对气凝胶在力学、热学、光学、电学、声学等方面的深入研究，为气凝胶的应用提供了技术支撑。特别是美国国家航空航天局（NASA）对气凝胶的青睐，让气凝胶的发展迎来了一个新的机遇。1997年，气凝胶首次被应用于“火星探路者”号探测器上，成为宇宙飞船的标准绝热材料。1999年，一种塞满气凝胶的“棒球手套”搭乘“星尘”号探测器升空，主要任务就是捕捉来自彗星尾部的尘埃。2006年，该探测器完成任务返回地球，首次为人类带回了彗星及星际尘埃粒子的样本。这些尘埃粒子可能携带有46亿年前太阳系诞生时最为原始的信息。

2002年，NASA旗下的阿斯彭气凝胶公司开发了一种新型气凝胶，有望为人类登陆火星研制一种具有保温隔热功能的宇航服衬里。据说，宇航服涂上一层18毫米厚的这种气凝胶之后，宇航员便能抵御零下130℃的低温。

炙手可热的新材料

由于气凝胶具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率，从而表现出独特的光学、热学、声学以及电学性能，使其在航空航天、国防军工、节能环保、石油化工等领域具有广泛的应用。世界上的许多国家竞相开发新型气凝胶材料，使得气凝胶已发展成为一个庞大的家族，如硅气凝胶、碳气凝胶、硫气凝胶、金属气凝胶和氧化物气凝胶等。

在航空航天和国防军工领域，气凝胶的应用具有极大的优势。气凝胶保温材料可作为飞机机舱的隔热层材料，也可作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料，可以增强隔热效果，降低舱内温度，增大舱内的使用空间。

2016年11月3日，我国新一代大运力运载火箭“长征”五号在海南文昌卫星发射中心成功首飞，气凝胶新材料就发挥了重要作用：我国研发的高性能纳米气凝胶隔热毡为火箭燃气管路系统提供了有效的隔热保温手段。2017年4月26日，“天舟”一号货运飞船升空时搭载了一个用于物资保存的低温锁柜，打造这个太空“冰箱”的隔热保温材料的主角同样是气凝胶。

在建筑领域，气凝胶的隔热、阻燃、疏水、隔音、减震、环保等优势，非常适合于用作建筑节能墙体材料。在消防领域，应用气凝胶材料可以大幅降低消防衣物器材的重量和體积，延长消防员在火场中的工作时间。在家电领域，应用气凝胶材料可以缩小家电体积，提高节能效果和安全性能。

在石油化工领域，应用气凝胶材料可有效减少外保温层的用量，并且由于具有极佳的憎水性而不会腐蚀保温管道，从而可以降低后期的维护费用。将气凝胶保温毡应用于稠油高温注汽开采管道保温和炼化装置介质管线的保温，可有效减少施工对象的体积，从而显著提高管道的排布率。

在城市集中供热中，做好保温工作对保证供热质量，实现节能减排都具有重要的意义。气凝胶直埋保温管可广泛应用于城市集中供热的管道保温，具有十分突出的优点。如气凝胶直埋保温管保温性能好，热损失仅为传统管材的25%。气凝胶直埋保温管占地少，施工快，有利于环境保护，并且使用寿命可达20年。

在电力储能领域，气凝胶保温材料也有用武之地。如在火力发电厂的能量转换过程中，应用气凝胶保温材料可有效降低热能的损失，从而提高热源的利用效率。

我国的气凝胶研究起步较晚，但发展速度很快，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日实施的《纳米孔气凝胶复合绝热制品》国家标准，是我国第一个关于气凝胶材料的国家标准，必将为推动我国的气凝胶产业化发挥积极的作用。