氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

氣凝膠——世界上最輕的固體材料(石墨烯氣凝膠是吉尼斯認定的世界最輕固體),因為其中包含瞭97%的空氣和3%的固體結構,僅有空氣密度的1.5倍。

除瞭非常輕之外,氣凝膠還有非常好的隔熱能力,這主要是因為“努森效應”,由於氣凝膠大部分由二氧化矽和空氣組成,二氧化矽固體導熱能力一般,而空氣的導熱系數也很低。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

此外,氣凝膠具有非常多納米級的小孔,這些小孔能讓空氣難以擴散通過氣凝膠來傳遞對流熱。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

因此氣凝膠常出現在需要耐高溫的環境中,比如火星探測車上,就使用瞭氣凝膠來進行保溫。

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此外,氣凝膠的防水性主要來自於改性,通過將表面極性的-OH變成非極性的-OR,就可以得到疏水性的氣凝膠。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

這樣一種“水火不侵”的材料,看起來好像是現代科技的最新產品,而實際上,氣凝膠在20世紀30年代就出現瞭,最早由化學傢塞繆爾·基斯勒制出。

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第一塊氣凝膠的誕生

凝膠物質其實很常見,像我們吃的果凍就是凝膠物質,屬於固體和液體的結合體。

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正巧當時賽繆兒和同事查爾斯·勒尼德就拿果凍打個瞭賭,查爾斯認為使果凍成為凝膠的原因是由於其液體性質,但賽繆兒認為凝膠中具有固體結構,這也是形成凝膠的關鍵。

為瞭驗證究竟誰是正確的,賽繆兒開始證明濕凝膠中含有相同大小和形狀的連續固體網絡的實驗,實驗的目的也很簡單,就是將凝膠中的液體弄出去而保留固體結構,這樣就可以證明凝膠和其中的液體沒有啥關系。

但說起容易,做起來可不容易,如果隻是單純讓凝膠中的液體蒸發,相應的固體結構勢必也會收縮,因為在液體分子去除後,它們會相互吸引,從而拉扯周圍的固體結構,那麼凝膠從內部開始就會“坍塌”,直至縮小到原有體積的1/10。

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這種方法肯定不行,賽繆兒想來想去,隻有將凝膠裡面的液體替換掉才能保證保證固體結構的完整。

那麼要替換的話,肯定隻有使用氣體瞭,因為凝膠已經包含瞭固體和液體兩種物質狀態。

不過正常的氣體肯定不能將凝膠液體替換出來,所以賽繆兒選擇曲線救國,通過加壓加熱讓液體突破臨界點,這樣液體就成為瞭超臨界流體(液體和氣體之前沒有差別),分子間也不再有相互吸引力。

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於是賽繆兒選取瞭矽酸鈉作為原料,使用鹽酸催化促進水解,水和乙醇作為溶劑交換機使其轉變為醇凝膠。

然後將醇凝膠放入高溫高壓的環境中,待到其中的乙醇成為瞭超臨界流體後,一邊繼續保持臨界溫度,一邊對凝膠減壓,隨著壓力的降低,乙醇分子作為氣體釋放出去。

接著從熱源中取出凝膠,等到冷卻後,原先在凝膠中的乙醇液體都變成氣體揮發,隻剩下瞭固體結構,並且其中充滿瞭氣體,這就是第一塊氣凝膠的誕生。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

相關研究在1931年發表在《自然》雜志上。

對制備氣凝膠方法的改進

毫無疑問,這項研究是劃時代的,但奇怪的是在之後的30多年中,氣凝膠的研究工作幾乎是停滯狀態,主要因為當時制備的條件比較困難,耗費的時間也特別長。

直到1970年,裡昂大學為瞭尋求一種可以在存儲氧氣和火箭燃料的多孔材料,翻出瞭30多年前的氣凝膠,並且在賽繆兒的基礎上改進瞭制備方法。

新的制備方法采用瞭烷氧基矽烷(TMOS)代替瞭矽酸鈉,用甲醛代替瞭乙醇,這樣制出的凝膠醇凝膠可制出更高質量的二氧化矽氣凝膠,另外時間也快上瞭不少,此方法直接導致氣凝膠科學的一項重大進步。

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方法改進之後,越多越多的研究人員加入到氣凝膠領域。

1983年,伯克利實驗室的微結構材料小組發現,劇毒的化合物TMOS可以用更安全的原矽酸四乙酯(TEOS)代替。

並通過溶膠——凝膠法來讓TEOS水解和縮聚。

此外,微結構材料小組還發現,在超臨界幹燥之前,凝膠中的醇可以用液態二氧化碳代替,而不會損害氣凝膠。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

液態二氧化碳

這代表瞭安全性的重大進步,因為二氧化碳不像醇類那樣具有爆炸危險。

氣凝膠的其他應用

隨著對氣凝膠研究的不斷深入,粒子物理學傢意識到這種納米級的材料可以用來收集難以捕捉的契倫科夫輻射粒子,因為這些粒子闖入氣凝膠的復雜結構後,很難從另一端穿出,從而留在氣凝膠內。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

除瞭收集粒子,由NASA噴氣推進實驗室制備的二氧化矽氣凝膠,還搭上瞭去太空的“航班”,並承擔瞭收集彗星微粒的任務。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

說瞭這麼多,相信大傢也瞭解瞭氣凝膠各種特性和不斷改進的制備方法,無論從哪方面來看,它都非常優秀,可為什麼還沒有普及到大眾生活中呢?

首先還是生產,即使制備方法經過瞭多次改進,最關鍵的超臨界條件還是設置瞭門檻。

其次,氣凝膠工業生產還有一個嚴峻的挑戰,那就是氣凝膠很脆,雖然它的承重能力很強,可惜的是,它的張力非常小,稍微用力一掰就能將它“一分為二”,所以一般還需要加入其他的添加劑。

氣凝膠:一種受目前科學限制的“未來材料”

還有不得不提的價格問題,大約6立方厘米的氣凝膠價格就在350人民幣左右,因此成本也是制約生產應用的因素。

但這些問題都瑕不掩瑜,氣凝膠從出生到現在,依然像是一個超前瞭許多年的未來材料,具有非常大的潛力。

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