從果凍到外太空追星：氣凝膠的前世今生

2020-08-28 中電保力

氣凝膠正在不斷走近人們的生活。

北京化工大學潘凱教授團隊在製備石墨烯氣凝膠時引入納米纖維，通過對靜電紡絲聚丙烯腈（PAN）納米纖維進行預處理，之後採用冷凍乾燥法將其和氧化石墨烯共同製備出具有「多層結構+孔結構+納米纖維」多級結構的納米纖維/石墨烯氣凝膠。在此種氣凝膠基礎上組裝的傳感器，可以靈敏地監視人體的喉嚨，腕部脈搏，手指，腕部和膝關節的實時運動，使潛在的健康檢測應用成為可能。

納米纖維/石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器對人體不同部位動作的監測信號

東華大學俞建勇院士和丁彬教授團隊通過以氧化矽納米纖維、氧化矽納米顆粒為構築基元，通過纖維冷凍成型方法在納米纖維/納米顆粒間構築了具有可再生殺菌功能的滷胺彈性粘結網絡，進而製備出一種具有仿絲瓜絡骨架結構的超彈氧化矽納米纖維氣凝膠。該材料具有超親水性、高孔隙率、優異的殺菌性能和抗汙功能，可實現對病菌汙染的飲用水的高效淨化。

氧化矽納米纖維氣凝膠的抗汙水淨化應用

氣凝膠，這種獲得金氏世界紀錄認證「世界上最輕固體」的材料，在各個領域均不斷有研發成果湧現，可謂廣闊天地大有作為。但對於普通群眾來說，最跟自己衣食住行相關的，非保暖衣莫屬。在知乎一項關於「什麼材料的衣服最保暖」的投票中，氣凝膠拔得頭籌，雖然我們暫時還沒穿上氣凝膠衣服，但的確越來越多的人已經認識到這種材料的優異性能。

圖片來自網友@月球小熊貓

正如一位網友闡述的投票理由：沒有什麼比靜止的空氣更保暖了。因為空氣一旦靜止，不管是熱氣還是冷氣都不會產生流動，冷氣進不來，熱氣出不去，達成良好的保溫效果。如果說真空玻璃窗依靠兩塊玻璃之間的空隙阻攔原子振動，讓熱難以傳導，那麼氣凝膠這種發泡材料則等於億萬萬層玻璃和空氣，可想而知其隔熱達到什麼程度——用一盞點燃的煤氣燈隔著氣凝膠烘烤鮮花，幾分鐘後鮮花仍然芬芳如故，而隔著氣凝膠烘烤的火柴也安然無恙，不會被高溫點燃。

氣凝膠的隔熱效果非常驚人

效果如此驚人，只用來做保暖衣顯然不足以物盡其用。1997年，氣凝膠在火星探路者號上使用，隔離儀器不受極高溫的破壞，從此成為美國國家航空航天局宇宙飛船的標準絕熱材料。1999年，氣凝膠再次被委以重任，隨星塵號宇宙飛船出徵，執行人類首次的彗星塵埃採集任務。太空塵時速1.8萬公裡，比子彈還要快，可以直接擊穿普通材料，而氣凝膠每立方釐米內有數十億個泡泡，能讓太空塵粒子緩緩減速不會受損，完好無缺地攔阻住彗星拋出的塵埃樣本，將其收入囊中，此舉被地上的人們詩意地形容為「捉星星」。

顯微鏡下看到的氣凝膠內的彗星塵埃軌跡

材料學家馬克·米奧多尼克形容自己第一次在實驗室邂逅氣凝膠為驚鴻一瞥：「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……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？」氣凝膠之所以給人虛無縹緲的感覺，源於其自身99.8%都是空氣，物質含量極少、密度極低，因此沒有明顯的邊角，放在暗色背景前呈藍色，在淺色環境下則幾乎消失不見，被稱為「凍結的煙霧」。

二氧化矽氣凝膠是全世界最輕的固體，99.8%是空氣

我們常形容一個東西很厲害就是「上天入地」，氣凝膠已然遨遊九天，至今仍是有諸多的可能性等待科學家們去發掘的前沿材料。然而，它的來頭卻異常可愛：化學家契史特勒發明氣凝膠純粹出於對果凍的興趣。因為對「果凍算液體還是固體」這一疑問的追索，契史特勒發現明膠分子入水後會先分解再連成網狀，把液體鎖住讓它無法流動。果凍幾乎百分之百是水，熔點為35℃，放入口中後明膠網格就會瓦解，給我們帶來液體的口感。

吃貨的力量是無窮的，契史特勒通過反覆實驗，證明膠體結構和內部液體互相獨立，探索出了用氣體代替膠體內液體的方法。為了達成更強韌的結構，他選擇玻璃的主要成分，製造出了以二氧化矽為固體結構的膠體，接著再按先前的程序去除膠體中的液體，製造出了世界上最輕的固體——二氧化矽氣凝膠。

膠體內部結構

1931年，契史特勒把一系列實驗的結果投給《自然》科學期刊，標題為《共聚擴散氣凝膠與果凍》。遺憾的是，在那個材料界突飛猛進的階段，太多革命性的新材料登場，契史特勒直到逝世也沒有看到氣凝膠的應用成為主流。但和很多為未來發展而生的材料一樣，氣凝膠始終等候著人們的發掘，今天，科學家已經不斷開發出多樣的應用，從人類探索外太空，到個體的防寒保暖，氣凝膠作為材料中的一員，正擔負起推動文明進程的大任。


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