逯心一　張如意　蘇佳慧

2023年1月，中外科研機構(gòu)的科學(xué)家們通過天問一號傳回來的數(shù)據(jù)，獲得了“火星日凌”的最新研究成果。

2021年，天問一號著陸火星，開啟了火星探測之旅。這并非一次輕松的旅程，天問一號必須要經(jīng)歷“冰與火”的考驗——著陸時，發(fā)動機產(chǎn)生的熱量，會讓周圍溫度驟升至1000℃以上；巡視階段，天問一號搭載的祝融號火星車，又不得不在-130℃左右的環(huán)境下工作。

什么樣的材料，能耐得住如此極熱與極寒？又是什么樣的材料，能讓火星車上科學(xué)載荷能在如此惡劣的環(huán)境下順利進行火星探測？

腦洞大開的奇思妙想

說起果凍來，大家并不陌生。果凍憑借著柔軟多汁的口感，受到孩子們歡迎。像果凍這樣，由一定濃度的高分子溶液或溶膠在適當條件下形成的、沒有流動性并保持一定形態(tài)的彈性半固體，被稱為凝膠。

您是否想過，生活中不可或缺的空氣，如果有一天被制成凝膠，那會是一種什么樣的體驗？

氣凝膠是一種以納米膠體粒子相互聚集構(gòu)成納米骨架和納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)固態(tài)材料。氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就像我們?nèi)粘３缘酿z頭，有很多孔，還有面粉形成的骨架。與饅頭不同的是，在氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，孔的尺寸相對更加均勻，孔徑比饅頭的小了約100萬倍，且氣凝膠中孔與孔之間大多是相通的。同樣，氣凝膠的骨架粒徑同面粉骨架相比，也小了約1000倍。

由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，氣凝膠在空氣中呈現(xiàn)像煙霧一樣的狀態(tài)。因此，它又被稱為“凍煙”。材料學(xué)家馬克·米奧多尼克這樣描述他第一次在實驗室邂逅氣凝膠的感受：“它是透明的，卻奇怪地呈乳白色，很像珠寶的全息圖，是虛幻不實的物質(zhì)……我忍不住胡思亂想，難道它是從外星人的宇宙飛船上搶來的？”

氣凝膠的誕生，來自一個天才的奇思妙想。

1931年，美國科學(xué)工作者基斯特勒（Kistler）和他的朋友打了個賭：兩人相約看誰能將凝膠內(nèi)的液體換成氣體，同時不使固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

試想一下，以果凍為例，如果想通過蒸發(fā)的方式，將凝膠內(nèi)的液體與固體分離，必然會造成果凍收縮和結(jié)構(gòu)坍塌。但是神奇的一幕出現(xiàn)了——經(jīng)歷一次又一次實驗，基斯特勒最終通過酒精超臨界干燥技術(shù)解決了這個難題，世界上第一塊氣凝膠就此誕生。不過，這個時候的氣凝膠制備工藝耗時長、難度大，并沒有得到廣泛應(yīng)用。

直到20世紀70年代，科學(xué)家以甲醇溶劑作為超臨界干燥介質(zhì)，制備出二氧化硅氣凝膠，氣凝膠的制備工藝因此大大簡化，沉睡了40多年的氣凝膠研究領(lǐng)域開始蘇醒。

如今，氣凝膠已經(jīng)形成了一個龐大的家族。這個大家族里，主要分為三部分成員：無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機—無機雜化氣凝膠。

無機氣凝膠，顧名思義，是以無機物為基體。無機氣凝膠可以耐高溫，使用溫度一般可以達到600℃以上。

有機氣凝膠以有機物為主體，一般具有高強度、柔韌性良好的特點，常常在中低溫（不超過400℃）的條件下使用。

有機—無機雜化氣凝膠，則是利用有機物和無機物各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)氣凝膠材料特殊的功能。例如，二氧化硅氣凝膠具有超低熱導(dǎo)率、耐高溫等特點，是一種性能優(yōu)異的隔熱材料。但它強度低、材質(zhì)脆，難以直接使用。而有機物氣凝膠一般都具備較好的韌性。因此，將有機氣凝膠和二氧化硅氣凝膠結(jié)合，可以增強二氧化硅氣凝膠的強度，同時也會因為有機物結(jié)構(gòu)的改變，賦予雜化氣凝膠特定的功能。

2021年，國際頂級權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志將氣凝膠列為十大熱門科學(xué)技術(shù)之一。2022年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會將氣凝膠列入2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)。時至今日，氣凝膠的誕生已有將近一個世紀，但科學(xué)界對氣凝膠的研究仍然熱度不減。

優(yōu)良特性的集大成者

氣凝膠英文名為“aerogel”?！癮ero”意為飛行的，“gel”為凝膠，組合起來便是可以飛行的凝膠。單從名字就可以看出，氣凝膠有多輕。這些年來，科學(xué)家們不斷制備出更加先進的氣凝膠，一次又一次刷新著“世界上最輕的固體”的紀錄。在目前報道的氣凝膠中，密度最低的可以達到0.00016g/cm3，遠低于空氣的密度，抽真空后甚至可以在空中飄起來。

氣凝膠結(jié)構(gòu)中超高的空氣占比，使它具有高比表面積和高孔隙率。據(jù)了解，氣凝膠的比表面積可高達1000m2/g。也就是說，1塊乒乓球大小的氣凝膠，其表面積同一個足球場相當。同時80%～99.8%的孔隙率也代表著在體積為1m3的氣凝膠中，納米孔所占體積大于0.8m3。這使得氣凝膠具有優(yōu)異的吸附性能。其吸附量遠大于普通海綿的吸附量，堪稱“終極海綿”。

材料學(xué)家們通過調(diào)控氣凝膠骨架的化學(xué)狀態(tài)，使它在吸附時具有一定的選擇性。比如，氧化硅氣凝膠對于常見的有害氣體甲苯等的吸附量是活性炭和硅膠的2倍以上，可用于清除室內(nèi)有害氣體；炭氣凝膠的吸油量可以達到自身重量的40～160倍，是處理海上石油污染的理想材料。

氣凝膠憑借其結(jié)構(gòu)特點，具有出色的隔熱性能。其納米骨架結(jié)構(gòu)分散了固體傳熱的途徑，較小的納米孔又阻礙了氣體分子進行熱量傳遞。因此，當熱量經(jīng)過氣凝膠時，就像人走在蜿蜒崎嶇的小路上，熱量傳遞速度極其緩慢。隔熱性能一直是各行各業(yè)關(guān)注的焦點之一。以工業(yè)上常用的氣凝膠絕熱氈為例，與傳統(tǒng)保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統(tǒng)材料的2～8倍。

此外，氣凝膠還具有無與倫比的催化特性。其特定的表面結(jié)構(gòu)使得活性組分可以非常均勻地分散于載體中。同時，氣凝膠良好的熱穩(wěn)定性，可以有效減少副反應(yīng)發(fā)生。因此，氣凝膠常被用作催化劑或者催化劑載體。初期，氣凝膠催化劑主要用于一些有工業(yè)應(yīng)用背景的有機反應(yīng)，如乙酸轉(zhuǎn)化為丙酮、丙酸轉(zhuǎn)化為二乙基丙酮等。近年來，氣凝膠催化劑的應(yīng)用更加廣泛。比如，石墨烯基氣凝膠憑借著優(yōu)良的電化學(xué)活性和催化特性，在燃料電池、染料敏化太陽能電池、微生物電解池和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

科學(xué)家認為，宇宙中的彗星塵包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，可幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。但收集彗星塵卻不是一件容易的事。彗星塵的體積比沙粒還小，運動速度卻至少是步槍子彈的6倍。如此高速度接觸其他物質(zhì)，其物理和化學(xué)成分都可能發(fā)生改變，甚至完全蒸發(fā)。

大顯身手的材料之王

如今，大到航空航天、國防工業(yè)，小到日常生活中的護膝鞋墊，到處都有氣凝膠的身影。

氣凝膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天探測。中國祝融號火星車、俄羅斯和平號空間站、美國火星探路者探測器等，都采用了氣凝膠作為隔熱材料。

氣凝膠在航天領(lǐng)域的應(yīng)用遠不止于此。早在20世紀末，氣凝膠已經(jīng)被制成塵埃收集器，用于收集宇宙中的彗星塵。

科學(xué)家認為，宇宙中的彗星塵包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，可幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。但收集彗星塵卻不是一件容易的事。彗星塵的體積比沙粒還小，運動速度卻至少是步槍子彈的6倍。如此高速度接觸其他物質(zhì)，其物理和化學(xué)成分都可能發(fā)生改變，甚至完全蒸發(fā)。

氧化硅氣凝膠本身的特性可以很好地解決這一問題。它就像一個極其柔軟的棒球手套，極低的密度可以讓塵埃緩慢減速不受損傷，千絲萬縷的結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮良好的緩沖效果，使其滑行相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。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。

美國國家宇航局在1999年發(fā)射的星塵號宇宙飛船，搭載了用氣凝膠制成的塵埃收集器。2006年，星塵號帶著人類獲得的第一批彗星塵樣品返回了地球，捕獲的塵埃微粒清晰可見，且氣凝膠單元均完好無損。這證明，氧化硅氣凝膠是當之無愧的星際塵埃收集神器。

人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷碾妱悠囈搽x不開氣凝膠。

電動汽車主要以鋰離子電池作為動力電池。極端條件下，電池熱失控是電動汽車的首要安全問題。氣凝膠隔熱材料的應(yīng)用，大大提高了新能源汽車的使用安全性。

氣凝膠隔熱片是一種基于氧化硅氣凝膠和陶瓷纖維基材，復(fù)合得到的一種氣凝膠復(fù)合隔熱材料。它用于阻隔發(fā)熱部位與設(shè)備外殼發(fā)生熱傳遞。氣凝膠氈具有導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱效果好和不燃性的特點。相比傳統(tǒng)隔熱材料，氣凝膠氈只需1/5～1/3的厚度即可達到相同的隔熱效果。目前，眾多汽車動力電池廠家，均大規(guī)模采用二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合氈作為動力電池組件的分隔材料。

此外，氣凝膠在生產(chǎn)生活中也有著廣泛的應(yīng)用：氣凝膠制成的輕薄防寒服可以抵御-196℃的液氮噴射；功能性纖維素氣凝膠在吸附二氧化碳、甲醛等氣體，以及去除廢水中的重金屬離子、有機染料、有機溶劑和油污水等方面具有天然的優(yōu)勢……

目前，人類可制備的氣凝膠多種多樣，每種氣凝膠都有其專屬且有趣的性能，并且已經(jīng)在高科技設(shè)備和日常生活中成功應(yīng)用。隨著制備工藝不斷完善和科技水平不斷發(fā)展，氣凝膠研制成本逐步降低。我們相信，氣凝膠將會更廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，為各個領(lǐng)域帶來令人驚喜的變化。

◎ 來源|解放軍報