气凝胶：世界上最轻的固体
■逯心一 张如意 苏佳慧
气凝胶置于花蕊上，花蕊几乎不会变形。肖 暘摄
2023年1月，中外科研机构的科学家们通过天问一号传回来的数据，获得了“火星日凌”的最新研究成果。
2021年，天问一号着陆火星，开启了火星探测之旅。这并非一次轻松的旅程，天问一号必须要经历“冰与火”的考验——着陆时，发动机产生的热量，会让周围温度骤升至1000℃以上；巡视阶段，天问一号搭载的祝融号火星车，又不得不在-130℃左右的环境下工作。
什么样的材料，能耐得住如此极热与极寒？又是什么样的材料，能让火星车上科学载荷能在如此恶劣的环境下顺利进行火星探测？
本期将为您介绍：材料世界的新秀——气凝胶。
脑洞大开的奇思妙想
说起果冻来，大家并不陌生。果冻凭借着柔软多汁的口感，受到孩子们欢迎。像果冻这样，由一定浓度的高分子溶液或溶胶在适当条件下形成的、没有流动性并保持一定形态的弹性半固体，被称为凝胶。
您是否想过，生活中不可或缺的空气，如果有一天被制成凝胶，那会是一种什么样的体验？
气凝胶是一种以纳米胶体粒子相互聚集构成纳米骨架和纳米多孔网络结构，并且在孔隙中充满气态分散介质的轻质固态材料。气凝胶的内部结构就像我们日常吃的馒头，有很多孔，还有面粉形成的骨架。与馒头不同的是，在气凝胶的内部结构中，孔的尺寸相对更加均匀，孔径比馒头的小了约100万倍，且气凝胶中孔与孔之间大多是相通的。同样，气凝胶的骨架粒径同面粉骨架相比，也小了约1000倍。
由于这种特殊的结构，气凝胶在空气中呈现像烟雾一样的状态。因此，它又被称为“冻烟”。材料学家马克·米奥多尼克这样描述他第一次在实验室邂逅气凝胶的感受：“它是透明的，却奇怪地呈乳白色，很像珠宝的全息图，是虚幻不实的物质……我忍不住胡思乱想，难道它是从外星人的宇宙飞船上抢来的？”
气凝胶的诞生，来自一个天才的奇思妙想。
1931年，美国科学工作者基斯特勒（Kistler）和他的朋友打了个赌：两人相约看谁能将凝胶内的液体换成气体，同时不使固体结构发生变化。
试想一下，以果冻为例，如果想通过蒸发的方式，将凝胶内的液体与固体分离，必然会造成果冻收缩和结构坍塌。但是神奇的一幕出现了——经历一次又一次实验，基斯特勒最终通过酒精超临界干燥技术解决了这个难题，世界上第一块气凝胶就此诞生。不过，这个时候的气凝胶制备工艺耗时长、难度大，并没有得到广泛应用。
直到20世纪70年代，科学家以甲醇溶剂作为超临界干燥介质，制备出二氧化硅气凝胶，气凝胶的制备工艺因此大大简化，沉睡了40多年的气凝胶研究领域开始苏醒。
如今，气凝胶已经形成了一个庞大的家族。这个大家族里，主要分为3部分成员：无机气凝胶、有机气凝胶和有机-无机杂化气凝胶。
无机气凝胶，顾名思义，是以无机物为基体。无机气凝胶可以耐高温，使用温度一般可以达到600℃以上。
有机气凝胶以有机物为主体，一般具有高强度、柔韧性良好的特点，常常在中低温（不超过400℃）的条件下使用。
有机-无机杂化气凝胶，则是利用有机物和无机物各自的优势，实现气凝胶材料特殊的功能。例如，二氧化硅气凝胶具有超低热导率、耐高温等特点，是一种性能优异的隔热材料。但它强度低、材质脆，难以直接使用。而有机物气凝胶一般都具备较好的韧性。因此，将有机气凝胶和二氧化硅气凝胶结合，可以增强二氧化硅气凝胶的强度，同时也会因为有机物结构的改变，赋予杂化气凝胶特定的功能。
2021年，国际顶级权威学术期刊《科学》杂志将气凝胶列为十大热门科学技术之一。2022年，国际纯粹与应用化学联合会将气凝胶列入2022年度化学领域十大新兴技术。时至今日，气凝胶的诞生已有将近一个世纪，但科学界对气凝胶的研究仍然热度不减。
优良特性的集大成者
气凝胶英文名为“aerogel”。“aero”意为飞行的，“gel”为凝胶，组合起来便是可以飞行的凝胶。单从名字就可以看出，气凝胶有多轻。这些年来，科学家们不断制备出更加先进的气凝胶，一次又一次刷新着“世界上最轻的固体”的纪录。在目前报道的气凝胶中，密度最低的可以达到0.00016g/cm3，远低于空气的密度，抽真空后甚至可以在空中飘起来。
气凝胶结构中超高的空气占比，使它具有高比表面积和高孔隙率。据了解，气凝胶的比表面积可高达1000㎡/g。也就是说，1块乒乓球大小的气凝胶，其表面积同一个足球场相当。同时80%~99.8%的孔隙率也代表着在体积为1m3的气凝胶中，纳米孔所占体积大于0.8m3。这使得气凝胶具有优异的吸附性能。其吸附量远大于普通海绵的吸附量，堪称“终极海绵”。
材料学家们通过调控气凝胶骨架的化学状态，使它在吸附时具有一定的选择性。比如，氧化硅气凝胶对于常见的有害气体甲苯等的吸附量是活性炭和硅胶的2倍以上，可用于清除室内有害气体；炭气凝胶的吸油量可以达到自身重量的40~160倍，是处理海上石油污染的理想材料。
气凝胶凭借其结构特点，具有出色的隔热性能。其纳米骨架结构分散了固体传热的途径，较小的纳米孔又阻碍了气体分子进行热量传递。因此，当热量经过气凝胶时，就像人走在蜿蜒崎岖的小路上，热量传递速度极其缓慢。隔热性能一直是各行各业关注的焦点之一。以工业上常用的气凝胶绝热毡为例，与传统保温材料相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的2~8倍。
此外，气凝胶还具有无与伦比的催化特性。其特定的表面结构使得活性组分可以非常均匀地分散于载体中。同时，气凝胶良好的热稳定性，可以有效减少副反应发生。因此，气凝胶常被用作催化剂或者催化剂载体。初期，气凝胶催化剂主要用于一些有工业应用背景的有机反应，如乙酸转化为丙酮、丙酸转化为二乙基丙酮等。近年来，气凝胶催化剂的应用更加广泛。比如，石墨烯基气凝胶凭借着优良的电化学活性和催化特性，在燃料电池、染料敏化太阳能电池、微生物电解池和电化学传感器等领域具有广泛的应用前景。
大显身手的材料之王
如今，大到航空航天、国防工业，小到日常生活中的护膝鞋垫，到处都有气凝胶的身影。
气凝胶已经广泛应用于航天探测。中国祝融号火星车、俄罗斯和平号空间站、美国火星探路者探测器等，都采用了气凝胶作为隔热材料。
气凝胶在航天领域的应用远不止于此。早在20世纪末，气凝胶已经被制成尘埃收集器，用于收集宇宙中的彗星尘。
科学家认为，宇宙中的彗星尘包含着太阳系中最原始、最古老的物质，可帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。但收集彗星尘却不是一件容易的事。彗星尘的体积比沙粒还小，运动速度却至少是步枪子弹的6倍。如此高速度接触其他物质，其物理和化学成分都可能发生改变，甚至完全蒸发。
氧化硅气凝胶本身的特性可以很好地解决这一问题。它就像一个极其柔软的棒球手套，极低的密度可以让尘埃缓慢减速不受损伤，千丝万缕的结构可以发挥良好的缓冲效果，使其滑行相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。进入“气凝胶手套”后，星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹。由于气凝胶几乎是透明的，科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。
美国国家宇航局在1999年发射的星尘号宇宙飞船，搭载了用气凝胶制成的尘埃收集器。2006年，星尘号带着人类获得的第一批彗星尘样品返回了地球，捕获的尘埃微粒清晰可见，且气凝胶单元均完好无损。这证明，氧化硅气凝胶是当之无愧的星际尘埃收集神器。
人们日常生活中常见的电动汽车也离不开气凝胶。
电动汽车主要以锂离子电池作为动力电池。极端条件下，电池热失控是电动汽车的首要安全问题。气凝胶隔热材料的应用，大大提高了新能源汽车的使用安全性。
气凝胶隔热片是一种基于氧化硅气凝胶和陶瓷纤维基材，复合得到的一种气凝胶复合隔热材料。它用于阻隔发热部位与设备外壳发生热传递。气凝胶毡具有导热系数低、隔热效果好和不燃性的特点。相比传统隔热材料，气凝胶毡只需1/5～1/3的厚度即可达到相同的隔热效果。目前，众多汽车动力电池厂家，均大规模采用二氧化硅气凝胶隔热复合毡作为动力电池组件的分隔材料。
此外，气凝胶在生产生活中也有着广泛的应用：气凝胶制成的轻薄防寒服可以抵御-196℃的液氮喷射；功能性纤维素气凝胶在吸附二氧化碳、甲醛等气体，以及去除废水中的重金属离子、有机染料、有机溶剂和油污水等方面具有天然的优势……
目前，人类可制备的气凝胶多种多样，每种气凝胶都有其专属且有趣的性能，并且已经在高科技设备和日常生活中成功应用。随着制备工艺不断完善和科技水平不断发展，气凝胶研制成本逐步降低。我们相信，气凝胶将会更广泛地应用于各行各业，为各个领域带来令人惊喜的变化。
