氣凝膠，又稱為干凝膠。當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。
中文名：氣凝膠
外文名：aerogel
英文名：aerogel
別 稱：干凝膠
形 態(tài)：固體物質(zhì)形態(tài)
研制時間：1931年
研制者：Kistler
文章更新：氣凝膠到底是什么材料?
氣凝膠定義
氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。
因為密度極低，最輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級），所以可見光經(jīng)過它時散射較?。ㄈ鹄⑸洌?，就像陽光經(jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍（如果里面沒有摻雜其它東西），如果對著光看有點發(fā)紅。（天空是藍色的，而傍晚的天空是紅色的）。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中，使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測器。位在高能加速器研究機構(gòu)B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器，就是一個最新的應(yīng)用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性，還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時，其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點之一。
氣凝膠特性
氣凝膠，作為世界最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。由于它的密度極小，用于航空航天方面非常合適。
美宇航局噴氣推進實驗室，該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠，主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中，液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合，形成凝膠，然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥，并經(jīng)過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。
氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料。
美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠，由于密度只有每立方厘米3毫克，日前已經(jīng)作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀(jì)錄》。
這種氣凝膠呈半透明淡藍色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學(xué)家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因為它99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。
氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。
氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項十分重要的使命———收集彗星微粒?？茖W(xué)家認(rèn)為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。
但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時，自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當(dāng)于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。
氣凝膠制備方法
氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。
氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。
氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域
在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標(biāo)度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結(jié)構(gòu)，在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關(guān)聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)行為的最佳材料。
1、在“863”高技術(shù)強激光研究方面
納米多孔材料具有重要應(yīng)用價值，如利用低于臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量，節(jié)約驅(qū)動能，利用微球形節(jié)點結(jié)構(gòu)的新型多孔靶，能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復(fù)合機制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù)，利用超低密度材料吸附核燃料，可構(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細(xì)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。
2、在作為隔熱材料方面
硅氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個數(shù)量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導(dǎo)的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達100以上，能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)?span id="srcw0mu" class="wpcom_keyword_link">碳?xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達0．013w/m·K，是熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時的熱導(dǎo)率僅為0．03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進一步發(fā)展。
由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1．5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發(fā)生器和探測器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料．可提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。初步實驗結(jié)果表明，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。
在環(huán)境保護及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景。
3、在儲能器件方面
有機氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2/g)和高電導(dǎo)率(10—25 s/cm)．而且，密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3)．如在其微孔洞內(nèi)充入適當(dāng)?shù)碾娊庖?，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性，初步實驗結(jié)果表明：碳?xì)饽z的充電容量達3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反復(fù)充放電性能良好。
在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點結(jié)構(gòu)，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。
此外，硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料，使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實現(xiàn)“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。
作為一種新型納米多孔材料，除硅氣凝膠外，已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨特的材料制備手段，相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)用，如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導(dǎo)材料、超細(xì)陶瓷粉末等。
研究單位
2013年國際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實驗室等。國內(nèi)主要集中在同濟大學(xué)波爾固體物理實驗室、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。
氣凝膠其他用途
1、制作火星探險宇航服
2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫?！斑@是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。
2、防彈不怕被炸
防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。
3、可處理生態(tài)災(zāi)難
環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當(dāng)時用上這種材料的話，那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴(yán)重的污染。
4、網(wǎng)球拍擊球能力更強
新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強；2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適?！钡巧秸咭矊饽z的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。
超輕氣凝膠
浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄，擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克（拋出空氣密度），僅是空氣密度的1/6。 專家介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。 1931年，美國科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號 “凝固的煙”。
2011年，美國HRL實驗室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時最輕材料的紀(jì)錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形。 我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3?？茖W(xué)研究人員一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價值可以上升數(shù)千倍。”高超的課題組經(jīng)過五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三維多孔材料來打破這美國科學(xué)家的紀(jì)錄。
制作簡便，其形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)
在世界已誕生的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者?？蛇_到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。
大規(guī)模制造成可能
科學(xué)家聲稱，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。
高超課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。
性能優(yōu)越，高彈性、強吸附，應(yīng)用前景廣闊
據(jù)專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水?！按笪竿酢背杂袡C物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。 20世紀(jì)，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應(yīng)用性研究。科研人員聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過很難準(zhǔn)確預(yù)計其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個新材料走出實驗室，實現(xiàn)應(yīng)用價值。
