什麼是凝膠？
凝膠就是凝聚的膠體，膠體是介於溶液和濁液之間的一種混合物，其顆粒大小在1-100nm之間。膠體的顆粒都帶有同種電荷，因此在一般狀態下，由於同種電荷相互排斥，這些顆粒無法碰撞結合。但是如果在膠體中混入電解質，這些顆粒所帶的電荷就會被電解質中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發生電荷互斥，而是碰撞結合，形成凝膠。
什麼是氣凝膠？
凝膠中的膠體顆粒相互結合，但是這些顆粒並不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結成了空間網狀結構。這樣的空間網狀結構存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，便形成了氣凝膠。
氣凝膠有什麼用？
氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
二氧化矽（SiO2）氣凝膠是一種非常好的隔熱材料。而且SiO2氣凝膠的折射率接近空氣，使得太陽光可以輕易地從中穿過。憑藉這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽能利用以及建築節能等方面有所應用。
全碳氣凝膠具有極強的吸附能力，可吸附自身質量最高可達900倍的有機溶劑。而且，它的吸附效率也十分驚人，1g全碳氣凝膠每秒鐘便能吸附68.8g的有機物。全碳氣凝膠的結構韌性也非常優良，即便被數千次壓縮至原體積的20%也可迅速復原。
如今，氣凝膠已被廣泛應用於許多領域，製造出如氣凝膠體育器材、氣凝膠電池、氣凝膠房屋、氣凝膠登山鞋等新型產品。不過，要使氣凝膠產品走進千家萬戶，似乎還需要一些時間。相信未來，科學家們會研製出更多性能優異的氣凝膠，並推動它們的廣泛應用，造福人類生活。
本文介紹了2020年Nature/Science及其子刊發表關於氣凝膠的文章。
【1】Nature：二氧化矽氣凝膠的增材製造
隔熱材料最大的市場是二氧化矽（SiO2）氣凝膠，但它們致命的缺點是脆性，導致機械加工性差，與精確鑄造小物體的結合難度高，這限制了（SiO2）氣凝膠的應用。瑞士聯邦Wim J. Malfait團隊提出了一種直接的墨水書寫方法，可以從稀釋的（SiO2）納米顆粒懸浮（溶膠）漿液中創建列印SiO2氣凝膠物體。由於凝膠顆粒的體積分數高，油墨表現出剪切稀化行為，在列印期間容易流過噴嘴，但是在列印後它們的粘度迅速增加，確保了列印物體保持其形狀。列印後，矽溶膠在氨氣中凝膠化，隨後加工成氣凝膠。氣凝膠比表面積高（751 m2 g1）和導熱率超低（15.9 mW m1 K1）。此外，作者還將之結合功能納米顆粒。該氣凝膠物體可用於熱管理，用作微型氣泵並降解揮發性有機化合物。文章"Additive manufacturing of silica aerogels"發表於《Nature》（參考：doi.org/10.1038/s41586-020-2594-0）
【2】Nature Commun.：分級孔隙率的超輕COF /石墨烯氣凝膠
共價有機骨架（COF）是有機連接子中輕質元素(如C，N，O，B，Si和H)通過強共價鍵構成的高度多孔結晶的聚合物。由於結構多樣性、永久孔隙率、遠距離有序性，COF有多種應用，如有機催化、氣體存儲、分子分離、能量存儲裝置、光催化水分解、發光二極體等。但由COF製備宏觀物體仍具有挑戰性。德國柏林工業大學Arne Thomas在《Nature Communication》發表"Ultralight covalent organic framework/graphene aerogels with hierarchical porosity".作者通過水熱法合成COF/還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠。COF以3D方式堆疊方式沿2D石墨烯片的表面原位生長，冷凍乾燥後形成具有分層多孔結構的超輕氣凝膠，可以壓縮和膨脹數次而不會破裂。COF/rGO氣凝膠顯示出極好的吸收能力，可用於從水中去除各種有機液體。此外，作為超級電容器裝置的活性材料，氣凝膠可提供269 F g-1的高電容，循環穩定性超過5000次。（參考：doi.org/10.1038/s41467-020-18427-3）
【3】Science Adv.: 各向異性、分層的隔熱SiC@SiO2納米線氣凝膠
陶瓷氣凝膠是用於建築，工業和航空太空飛行器的輕質高效的絕熱潛在材料，但通常受到高溫時脆性和結構破壞的限制。儘管已有製造基於納米結構實現陶瓷氣凝膠彈性的有效方法，但結構中隨機分布的宏觀孔隙通常導致低剛度和低隔熱性能。西安交通大學為了克服這些障礙，採用了通過使用定向冷凍澆鑄和熱處理來製備各向異性和分級微觀結構SiC@SiO2納米線氣凝膠。氣凝膠的超低導熱係數約為14 mW / m·K，具有很高的剛度（比模量約為24.7 kN·m / kg），即使在1200°C加熱下也具有出色的熱穩定性和化學穩定性，是極端條件下的理想絕熱材料。結果"Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation"發表於《Science Advances》（參考：DOI: 10.1126/sciadv.aay6689）
【4】Science Adv.: 熱塑性發泡法製備人工智慧觸覺傳感器石墨烯氣凝膠
通常情況下，由固體直接發泡是製造多孔材料的最有效方法。然而，因固體的可塑性的界面相互作用，理想的發泡不能製備納米顆粒的氣凝膠。浙江大學高超，彭玉鑫、王健等研究員發明了一種親水性發泡方法，將氧化石墨烯（GO）固體直接轉化為氣凝膠塊和微陣列。水分子插入GO層之間，能夠使GO固體變成可塑性狀態，並能夠直接發泡。氣泡的形成遵循一般的結晶規則，並能夠精確控制壁厚度低至8 nm。氣泡團簇產生具有無縫連接的雙曲面結構，使石墨烯氣凝膠具有超強的機械穩定性，可抵抗極端變形。直接發泡的氣凝膠的應變係數（GF）極高（2），應變範圍超寬（0-95％），穩定性優越（104個循環），勝過大多數應變傳感器。通過將直接與墨水列印集成，作者製造了空間精度約為100μm的大面積氣凝膠微陣列傳感器。在深度學習框架中，陣列用作人工智慧（AI）觸覺傳感器，可在識別材料種類和表面結構方面達到80％以上的準確度，遠遠超過了人類手指的平均能力（30％）。文章以"Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors"為題發表在《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.abd4045）
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