比空氣還輕的材料能抗1200度高溫,竟然和小孩吃的『果凍』有關

2021-01-21 科技腦插

氣凝膠,世界上最輕的、密度最低的固體。它的質量非常小,只有1.22克,只有相同體積空氣品質的幾倍,它有99.8%是由空氣組成的,事實上,如果我們再給它去除所有空氣後,它的密度比空氣密度還低。是用於航空材料,隔熱、水處理、空氣淨化,等輕重工業產品結構的夾層、填充層。

目前美國波士頓的氣凝膠技術公司在氣凝膠的科研發展方面一直處於領先地位。

我們對氣凝膠進行加熱實驗

我們去了解一下它是如何做出來的?以及為什麼氣凝膠擁有這麼強的隔熱性能和它的應用場景,為了證明氣凝膠的隔熱能力,科學家專門做了現場實驗來展示。

兩組對照:一組用玻璃培養器,另一組使用氣凝膠,兩組裝置都是由二氧化矽製作的,但是它們擁有完全不同的物質結構,實驗過程中我們用一臺FLIR T1020高清熱感攝像機觀察,它可以看到2000攝氏度。

兩分鐘後我們看到玻璃已經非常熱並使巧克力開始冒煙了,巧克力很快化為液態,而帶有氣凝膠的底座,經過了4分鐘的炙烤,巧克力依然沒有融化跡象。非常難擴散並把熱量傳遞到氣凝膠頂部,這就是克努森效應(當泡沫的孔尺寸小於約1 微米時,稱為克努森效應(Knudsen Effect) 現象,氣體導熱性降低)

氣凝膠是如何發明的?

早在1931年,一位叫Samuel kistler 的教授與他的同事Charles learned打賭,要把果凍中的液體抽離而不讓果凍結構塌陷是可以實現的,意思就是去除果凍中的液體,同時不影響固體結構。

如果只是將液體揮發掉,固體結構就會收縮,因為當你去除液體分子時,沒有支撐點而造成它們互相拉扯,它們就會拉動周圍的固體結構,結果會被壓皺變形。其實生活中很多物品都是3D立體的固體結構中嵌入液態物質的形態,如雞蛋、橡膠、硝基纖維素、二氧化矽。

首先,Samuel kistler 教授意識到這種液體,可以用另一種液體代替。把果凍的水分子徹底洗掉,如水與酒精相互代替。 然後,將果凍放入一個叫做高壓釜的高壓容器中,將其加熱到液體臨界點的高溫高壓點,液體轉化為被稱為超臨界流體的半液體半氣體形態,此時,不再區分液體和氣體,那些分子不再互相拉扯,你一旦給容器減壓,高壓釜中就只留下完好無損的1%質量的凝膠固體骨架,以前的孔隙中的液體的地方,現在被氣體填充,這個固體骨架,學名叫做『多孔納米固態材料』,就是我們所說的氣凝膠。

氣凝膠在我們肉眼看來有著淡淡的藍色,這意味著它的散射波長氣凝膠在紫外線中看起來不透明,但是在紅外線中看起啦是透明的。

氣凝膠作為隔熱層被用於太空飛行器和探測車上,在火星寒冷的夜晚保護精密的電子元件不會被損壞。科學界正努力研發升級以降低成本,氣凝膠將會得到更加廣泛領域的應用。

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