神奇的纳米保温材料

张牧文

同学们，在“十四五”期间，我国生态文明建设进入了以降碳为重点的战略方向。这意味着，2021—2025年，我们将努力降低能源消耗和碳排放。

对于保温材料行业来说，这既是挑战，也是机遇。传统的保温材料，比如玻璃纤维、岩棉、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等，虽然具有一定的保温性能，也能在一定程度上满足节能要求，但是在“双碳”的目标下，能耗需要进一步降低，保温性能也需要进一步提升。在这样的背景下，性能优异的纳米保温材料，成了重要的升级替代产品。

同学们对纳米材料或许已经有了一些了解，那么，你们知道为什么纳米材料的保温性能这么好吗？我们以纳米气凝胶材料为例，一起来探究一下吧！

获得多项世界纪录

气凝胶，具有纳米多孔网状结构，它的物理形态是固体，但是看起来像气体，轻若薄雾，泛着蓝色，又被称为“蓝烟”。气凝胶材料获得多项吉尼斯世界纪录，在光学、热学、电学等领域显示出许多独特的性能，被称为“改变世界的神奇材料”。

热量的传递

为了弄清楚气凝胶材料的保温原理，我们首先要知道热量是如何传递的。同学们在五年级上册第二单元《热传递》中了解到，热量有3种基本传递方式：热传导、热对流和热辐射。其中，热传导通常通过固体介质，热量从高温部分向低温部分传递;热对流通常通过气体或液体介质;热辐射通常不需要任何介质。那么，请同学们先仔细观察气凝胶材料的微观结构，再思考：对于气凝胶材料而言，这3种热量传递方式分别是由哪一部分完成的呢？

纳米结构隔热好

热传导主要由气凝胶材料中的固体部分来完成。同学们在图片中看到的一个个小圆球就是一个个气凝胶固体颗粒，这些颗粒非常小，达到纳米级别。气凝胶具有极高的孔隙率，意味着气凝胶材料中有非常多的气孔。气孔周围的气凝胶颗粒连接在一起，就像一堵堵墙壁，可以称它为“气孔壁”。热传导发生时，热量就是沿着气孔壁传递的。气孔壁越长，热量需要走过的路径就越长，便越难传播。由于气凝胶材料中有着近于无穷多的纳米孔，气孔壁也被大大拖长，从而有效降低了热传导的效率。

热对流主要由气凝胶材料气孔中的气体完成。同学们在五年级上册第六课《热对流》中做过这样一个实验：用玻璃罩倒扣住点燃的线香，观察线香冒出的烟是怎样飘动的。通过观察实验现象，我们了解到：热对流时，空气是循环流动的。但是，空气的这种自由活动是有条件的，它需要足够的空间，这个空间在70 纳米左右。气凝胶材料中的气孔大小达不到这个条件，因此空气无法自由活动，就不会发生空气对流。这样一来，气凝胶的热对流效率就降低了。

应用领域广泛

热辐射的传递不需要任何介质。但是气凝胶材料内有很多气孔壁，每一面气孔壁都充当了一面“遮热板”，它们会将其他部位辐射过来的热量进行反射，形成对热辐射的层层障碍。热量在气凝胶内部发生无数次反射，因而降低了热辐射的效率。不过，在400℃以上的高温下使用时，仍然需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线辐射的抵抗。

同学们，这下你们明白气凝胶材料为何被称为超级绝热材料了吧？在重重保障之下，它的隔热性能达到传统保温材

料的3～5倍，节能效果提升50%以上。除此之外，气凝胶材料还有许多优点，比如它的使用寿命是常规材料的8～10倍，使用厚度只有普通材料的20%～50%，非常节省空间。气凝胶材料不仅隔热，而且防水、抗渗、抗震，维护成本低，更加可靠。得益于纳米材料的諸多优点，它在航天航空、建筑、服装等领域都有广阔的应用前景。不过，目前气凝胶材料制作成本较高，限制了它的应用。随着气凝胶制备技术的进一步发展，相信气凝胶材料将获得广泛的应用，为节能减排和社会可持续发展作出更大的贡献。

科学小实验——打不湿的“衣服”

实验材料：

铁勺、蜡烛、火柴、玻璃碗、水。

实验过程：

1.在勺子上滴几滴水，轻轻晃动，观察水在勺子中的情况。

2.用火柴点燃蜡烛，手握住勺子柄靠后的部分，靠近火苗，使火焰渐渐熏黑铁勺。注意：不要让蜡烛熄灭，也不要烫到自己的手。

3.移动勺子，让勺子头的内部全部被熏黑。

4.在熏黑的勺子上滴几滴水，轻轻晃动，观察此时的现象是否与之前相同。

实验现象：

勺子没有被熏黑之前，轻轻晃动，水会附着在勺子上。勺子被熏黑后，轻轻晃动，水不会附着在勺子上，勺子就像穿上了一层打不湿的“衣服”。

实验原理：

勺子打不湿的现象被称为“荷叶效应”。荷叶表面不会被雨水打湿，是因为荷叶表面有一层茸毛和一些微小蜡质颗粒。这些小颗粒都是纳米级的，非常微小。荷叶的这种“纳米技术”阻止了水滴向其他方向蔓延。当蜡烛火焰接触到勺子时，火焰的温度降低，导致蜡没有充分燃烧，会产生炭黑。炭黑附着在勺子上面，形成了一层疏水的纳米材料，达到了和荷叶表面蜡质颗粒一样的效果。因此，将水滴在熏黑的勺子上，水滴会像珍珠一样滚动。