在最近的幾十年中，對建築物的高性能隔熱的追求促使製造商轉向了氣凝膠。氣凝膠發明於1930年代，是半透明的、超多孔的，比棉花糖還要輕，但強度足以媲美磚塊，並且具有無與倫比的熱阻隔性能，使其成為在寒冷的冬日裡和夏季溫度下保持外界熱量的理想之選。
五年前，由麻省理工Evelyn Wang和 Gang Chen教授領導的研究人員著手在該列表中增加一個屬性。他們的目標是製造真正透明的二氧化矽氣凝膠。
Wang說：「我們開始嘗試實現用於太陽能熱系統的光學透明，隔熱氣凝膠。」 集成到太陽能集熱器中的一塊氣凝膠可以使陽光不受阻礙地進入，但可以防止熱量散發出來-這是當今系統中的一個關鍵問題。如果透明氣凝膠足夠透明，則可以將其合併到窗戶中，在窗戶中可以起到良好的隔熱作用，但仍可以讓乘員看到。
當研究人員開始工作時，即使是最好的氣凝膠也無法滿足這些任務。Lin Zhao博士說：「人們幾十年來一直知道氣凝膠是一種很好的絕熱材料，但它們無法使其具有很高的光學透明性。因此，在我們的工作中，我們一直在試圖確切地理解為什麼它們不是很透明，然後我們才能提高它們的透明度。」
二氧化矽氣凝膠的卓越性能是其納米級結構的結果。要使該結構可視化，請考慮將一堆透明的小顆粒握在手中。想像一下，這些粒子彼此接觸並稍微粘在一起，在它們之間留下了充滿空氣的間隙。類似地，在二氧化矽氣凝膠中，透明的，鬆散連接的納米級二氧化矽顆粒在總體上以空氣為主的整體結構內形成三維固體網絡。由於存在所有的空氣，二氧化矽氣凝膠的密度極低（實際上是所有已知的散裝材料中密度最低的一種），但它既堅固又結實，儘管很脆。
如果二氧化矽氣凝膠是由透明顆粒和空氣製成的，為什麼它不透明？因為進入的光不會全部直射。每當它遇到固體顆粒與周圍空氣之間的界面時，就會轉移。圖1說明了該過程。當光進入氣凝膠時，其中的一些會被吸收。有些被稱為直接透射，會直接穿過。這些接口一路重定向。它可以在任意方向上分散多次，最終以一定角度離開氣凝膠。如果它從其進入的表面出射，則稱為漫反射率。如果從另一側出射，則稱為漫透射率。
為了製造用於太陽能熱系統的氣凝膠，研究人員需要最大程度地提高總透射率：直接成分和擴散成分。為了製造用於窗戶的氣凝膠，他們需要最大化總透射率，同時最小化散射光佔總透射率的比例。趙說：「使漫射光最小是至關重要的，因為它會使窗戶看起來渾濁。」 「我們的眼睛對透明材料中的任何缺陷都很敏感。」
納米顆粒的大小和它們之間的孔對通過氣凝膠的光的命運有直接影響。但是要弄清通過反覆試驗而產生的相互作用，就需要對太多的樣本進行綜合和表徵，以至於無法實用。人們無法系統地了解結構與性能之間的關係，需要開發一個將兩者聯繫起來的模型。」
首先，Zhao轉向了輻射傳輸方程，該方程以數學方式描述了穿過介質的光（輻射）傳播如何受到吸收和散射的影響。它通常用於計算通過地球和其他行星大氣的光傳輸。據Wang所知，尚未針對氣凝膠問題進行過充分的探索。
散射和吸收都可以減少通過氣凝膠傳輸的光量，並且光可以被多次散射。為了解決這些影響，模型將兩種現象解耦並分別針對每個波長的光對它們進行量化。
基於二氧化矽顆粒的大小和樣品的密度（總孔體積的指標），該模型通過使用電磁理論的預測值確定氣凝膠層的吸收和散射行為，從而計算出氣凝膠層內的光強度。利用這些結果，它可以計算出有多少入射光直接通過樣品，以及有多少沿該方向散射並發出散射光。
接下來的任務是通過將模型的理論預測與實驗結果進行比較來驗證模型。
並行工作的機械工程研究生Elise Strobach一直在學習如何最好地合成氣凝膠樣品-既可以指導模型的開發並最終進行驗證。在此過程中，她對如何合成具有特定所需結構的氣凝膠產生了新見解。
她的程序從一種稱為矽烷的普通矽開始，該矽與水發生化學反應形成氣凝膠。在該反應過程中，微小的成核位置出現在顆粒開始形成的位置。它們建立的速度決定了最終的結構。為了控制反應，她添加了催化劑氨。通過仔細選擇氨與矽烷的比率，她首先使二氧化矽顆粒快速生長，然後在前體材料消失後突然停止生長，這是生產小而均勻的顆粒的方法。她還添加了一種溶劑甲醇，以稀釋混合物並控制成核位置的密度，從而控制顆粒之間的孔隙。
矽烷與水之間的反應形成一種凝膠，該凝膠包含固體納米結構，內部孔填充了溶劑。要乾燥溼凝膠，Strobach需要從孔隙中除去溶劑，並用空氣代替-不會破壞精密的結構。她將氣凝膠放入臨界點乾燥器的壓力室中，並將液態CO 2注入該室中。液態CO 2衝洗掉溶劑，並將其置於孔內。然後，她緩慢升高室內的溫度和壓力，直到液態CO 2轉變成其超臨界狀態為止，此時液相和氣相不再能區分。緩慢釋放腔室會釋放CO 2並留下已充滿空氣的氣凝膠。然後，她對樣品進行了24小時的退火處理（這是一種標準的熱處理工藝），這在不犧牲強保溫性能的情況下會稍微減少散射。即使進行了24小時的退火，她的新方法也將所需的氣凝膠合成時間從幾周縮短到不到四天。
為了驗證該模型，Strobach製作了厚度，密度，孔隙和粒徑均受控的樣品（由小角度X射線散射確定），並使用標準分光光度計測量總透射率和漫透射率。
數據證實，基於測得的氣凝膠樣品的物理性質，該模型可以計算光的總透射率以及稱為霧度的清晰度，該透明度定義為由漫射光組成的總透射率的一部分。
該練習證實了趙在開發模型時所做的簡化假設。此外，它還表明輻射特性與樣品的幾何形狀無關，因此他的模型可以模擬任何形狀的氣凝膠中的光傳輸。它不僅可以應用於氣凝膠，而且可以應用於任何多孔材料。
Wang指出了她認為從建模和實驗結果中得出的最重要的見解：「總體而言，我們確定了在不降低隔熱性能的情況下獲得高透明度和最小霧度的關鍵是要使微粒和孔隙真正小而均勻大小。」她說。
一項分析表明，粒徑的微小變化可能會導致行為發生變化。許多應用要求使用更厚的透明氣凝膠片，以更好地阻止熱傳遞。但是增加厚度可能會降低透明度。只要粒徑小，增加厚度以實現更好的隔熱效果都不會顯著降低總透射率或增加霧度。
他們的方法有什麼不同？Strobach說：「我們的氣凝膠比玻璃更透明，因為它們不反射-它們沒有眩光點，玻璃不會在那兒捕獲光線並向您反射。」
對於Lin來說，他們工作的主要貢獻是制定了材料設計的通用準則。在這種「設計圖」的幫助下，用戶可以為特定應用定製氣凝膠。根據等高線圖，他們可以確定可控氣凝膠特性（即密度和粒徑）的組合，以實現許多應用場合所需的目標霧度和透射率結果。
研究人員已經證明了他們的新型氣凝膠對太陽能熱能轉換系統的價值，該系統通過吸收輻射並將其轉化為熱能將太陽光轉化為熱能。當前的太陽能熱系統可以產生介於120至220攝氏度之間的所謂中間溫度的熱能，該中間溫度可用於水和空間加熱，蒸汽產生，工業過程等。
但是，最先進的太陽能熱系統依靠昂貴的光學系統來聚集入射的陽光，特別設計的表面可以吸收輻射並保留熱量，還需要昂貴且難以維護的真空罩來防止這些熱量散逸。迄今為止，這些組件的成本限制了市場的採用。
Zhao和他的同事認為使用透明的氣凝膠層可以解決這些問題。放置在吸收器上方，它可以讓入射的太陽輻射通過，然後防止熱量散逸。因此，它基本上可以複製導致全球變暖的自然溫室效應，但是要在很小的程度上達到極限，並取得積極的成果。
為了進行試驗，研究人員設計了一種基於氣凝膠的太陽能熱接收器。該設備包括一個近乎「黑體」的吸收體（塗有黑色塗料的薄銅片，吸收在其上的所有輻射能），其上方是一疊優化的，低散射的二氧化矽氣凝膠塊，可有效地透射日光和同時抑制傳導，對流和輻射熱損失。氣凝膠的納米結構經過專門設計，可最大程度地提高其光學透明度，同時保持其超低導熱率。在存在氣凝膠的情況下，不需要昂貴的光學器件，表面或真空罩。
在對該設備進行了廣泛的實驗室測試之後，研究人員決定「在室外」對其進行測試，在這種情況下，是在MIT建築物的屋頂上進行測試。在冬季的晴天，他們安裝了設備，將接收器固定在南方，並與水平方向傾斜60度，以最大程度地暴露在陽光下。然後，他們在上午11點至下午1點之間監視其性能，儘管環境溫度較低（低於1攝氏度）並且下午有雲，但吸收器的溫度立即開始升高，最終穩定在220℃以上。
對於Zhao來說，人造溫室效應已經證明的性能打開了他所謂的「促進太陽能熱利用的令人興奮的途徑」。他和他的同事們已經證明了它可以將水轉換成高於120攝氏度的蒸汽。與孟買印度理工學院的研究人員合作，他們現在正在探索印度可能的工藝蒸汽應用，並進行一個低成本，完全被動的太陽能高壓釜，用於農村地區的醫療設備消毒。
Strobach一直在為窗戶中的透明氣凝膠尋求另一個有希望的應用。她說：「在試圖製造更透明的氣凝膠時，我們在製造過程中達到了一種可以縮小尺寸的制度，但這並沒有導致透明度的顯著變化。但這確實在清晰度方面做出了重大改變，這是窗戶的一項重要功能。
Strobach表示，價格適中的隔熱窗的可用性會產生多種影響。分析表明，用氣凝膠窗格代替傳統的雙窗格窗口中的氣隙可能是答案。結果可能是雙層玻璃窗，其隔熱性比傳統的雙層玻璃窗高40％，隔熱性是當今三層玻璃窗的85％，而價格卻不到其一半。更好的是，該技術可以很快被採用。氣凝膠窗格的設計適合當前在整個行業中普遍使用的兩窗格製造過程，因此只需少量更改即可在現有生產線上以低成本進行製造。
在Zhao的模型的指導下，研究人員將繼續改善其氣凝膠的性能，特別關注在保持透明度和隔熱性的同時提高透明度。此外，他們正在考慮其他傳統的低成本系統，例如太陽能熱能和窗戶技術，它們將受益於在優化的氣凝膠中滑動以創造出能夠吸收大量陽光的高性能隔熱層。