蘇更林

在人類(lèi)的發(fā)明史上，有許多發(fā)明的誕生極具偶然性。氣凝膠就是美國(guó)人基斯特勒受果凍的啟發(fā)而發(fā)明出來(lái)的。氣凝膠現(xiàn)在是一種炙手可熱的新材料，被譽(yù)為“改變世界的十大神奇材料”之一。

一次“打賭”催生出氣凝膠

基斯特勒系美國(guó)科學(xué)家、發(fā)明家、化學(xué)工程師、教育學(xué)家。他的興趣十分廣泛，一生成果頗豐，僅取得的專(zhuān)利就有60多項(xiàng)，其中對(duì)后世產(chǎn)生重要影響的要數(shù)氣凝膠了。

說(shuō)起果凍，人們都不會(huì)陌生?；固乩贞P(guān)注果凍的視角非常特別，他想到這樣一個(gè)問(wèn)題：既然果凍的主要成分為水，含量可高達(dá)99.5%，那么為什么其中的水不會(huì)析出呢？

果凍其實(shí)是一種水凝膠。所謂凝膠，是指溶膠失去流動(dòng)性后變成的一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)?；固乩照J(rèn)為，一定存在著許多無(wú)形的“容器”，把水分困在其中，這種特殊的“容器”是由明膠分子組成的立體網(wǎng)格。但問(wèn)題是，由明膠分子組成的立體網(wǎng)格怎么能兜住那么多的水？原來(lái)，果凍網(wǎng)格內(nèi)的水分子是由表面張力拉住的，并且這種表面張力的大小，正好讓水既無(wú)法掙脫又可以晃動(dòng)，這樣才有了果凍顫巍巍的質(zhì)感。

1931年，基斯特勒和他的同事查爾斯打了一次“賭”，看誰(shuí)能用氣體把果凍罐里的液體給換掉，而又不能導(dǎo)致凝膠的結(jié)構(gòu)崩潰。這看似一個(gè)漫不經(jīng)心的科技笑談，實(shí)際上卻是對(duì)他們天才思想的考驗(yàn)。在當(dāng)時(shí)的科技條件下，他們是如何實(shí)現(xiàn)科技突破的呢？基斯特勒首先要做的就是弄清楚凝膠的網(wǎng)格與其中的水是不是一個(gè)整體，也就是說(shuō)把液體拿走了凝膠的立體網(wǎng)格會(huì)不會(huì)被破壞？為此，基斯特勒進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，果凍內(nèi)的液體是連成一體的，并且可以被替換成其他液體。這說(shuō)明果凍內(nèi)的網(wǎng)格與液體可能是相互獨(dú)立的。下面的問(wèn)題就是如何用氣體換掉果凍里的液體了。用蒸發(fā)的辦法去除果凍里的液體顯然是不可行的，因?yàn)檎舭l(fā)一定會(huì)導(dǎo)致凝膠網(wǎng)格的破壞。基斯特勒的突圍之策是超臨界干燥法。超臨界干燥法是指通過(guò)壓力和溫度條件的控制，讓液體在臨界溫度之上完成從液相至氣相的轉(zhuǎn)變，并依靠壓力作用來(lái)抑制氣相的逸散。

不過(guò)，基斯特勒總感覺(jué)用明膠做成的氣凝膠太過(guò)脆弱，可能不會(huì)有什么應(yīng)用前景。于是，基斯特勒選擇硅膠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用超臨界干燥法去除了硅膠中的液體成分，從而成功地制成了世界上第一個(gè)真正意義上的氣凝膠。這種二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)中，98%是空氣。此后，基斯特勒又成功制備了氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、明膠、瓊脂、橡膠等氣凝膠。

“固態(tài)的煙”

氣凝膠是當(dāng)今世界已知的最輕的固體材料，以超高的比表面積和極低的導(dǎo)熱系數(shù)而聞名。氣凝膠的比表面積可高達(dá)1000平方米/克；氣凝膠的密度可低至0.003克/立方厘米；氣凝膠的隔熱性能優(yōu)良，1寸厚的摻入部分碳元素的硅膠相當(dāng)于二三十塊普通玻璃的隔熱性能。

氣凝膠之所以具有如此神奇的性能，就在于氣凝膠中絕大部分成分為氣體。這使得氣凝膠看上去呈云霧狀，又被稱(chēng)為“固態(tài)的煙”。我們知道，空氣為熱的不良導(dǎo)體，因此氣凝膠是優(yōu)良的熱傳導(dǎo)隔絕材料（金屬凝膠除外）。一般來(lái)說(shuō)，熱量的傳遞有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種途徑，而氣凝膠幾乎能阻止熱傳遞的所有途徑，從而達(dá)到其他材料無(wú)法比擬的絕熱效果。

生不逢時(shí)的氣凝膠

然而，基斯特勒的天才發(fā)明在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視，因?yàn)檫@種材料的造價(jià)太過(guò)昂貴并且非常易碎，以致不得不沉睡在實(shí)驗(yàn)室里。慢慢地，這種超級(jí)材料就被人們淡忘了。

可是，有一個(gè)人始終沒(méi)有忘。這個(gè)人就是它的發(fā)明人基斯特勒，他總感覺(jué)如此奇妙的材料在未來(lái)應(yīng)該占有一席之地。他把氣凝膠的專(zhuān)利權(quán)授給了美國(guó)的孟山都公司，于1948年完成了一種粉狀的二氧化硅氣凝膠的開(kāi)發(fā)，并將其命名為山都膠。在當(dāng)時(shí)，氣凝膠主要是用作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑，也可用作油漆的增稠劑等。后來(lái)，山都膠還被用于墨水和涂料等行業(yè)，主要是利用氣凝膠的散光性而使墨水和涂料產(chǎn)生一種霧面的效果。山都膠還曾被用來(lái)充當(dāng)綿羊用防蠅膏的增稠劑以及凝固汽油彈的乳化劑。

一個(gè)史上最出色的絕熱材料，一生下來(lái)就被邊緣化了。氣凝膠的命運(yùn)陷入了低谷，生不逢時(shí)的氣凝膠終于被孟山都公司停產(chǎn)了?；固乩沼?975年去世，最終沒(méi)有機(jī)會(huì)看到氣凝膠的出頭之日。

氣凝膠的峰回路轉(zhuǎn)

到了20世紀(jì)70年代后期，法國(guó)科學(xué)家泰希納等人在尋求一種能儲(chǔ)存氧氣及火箭燃料的多孔材料的過(guò)程中，發(fā)展了氣凝膠的制備技術(shù)。由于找到了一種更好的二氧化硅氣凝膠合成工藝，從而使得氣凝膠科學(xué)向前跨越了一大步。

到了20世紀(jì)90年代，由于有機(jī)氣凝膠和碳?xì)饽z的誕生，以及德國(guó)科學(xué)家對(duì)氣凝膠在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面的深入研究，為氣凝膠的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。特別是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)氣凝膠的青睞，讓氣凝膠的發(fā)展迎來(lái)了一個(gè)新的機(jī)遇。1997年，氣凝膠首次被應(yīng)用于“火星探路者”號(hào)探測(cè)器上，成為宇宙飛船的標(biāo)準(zhǔn)絕熱材料。1999年，一種塞滿(mǎn)氣凝膠的“棒球手套”搭乘“星塵”號(hào)探測(cè)器升空，主要任務(wù)就是捕捉來(lái)自彗星尾部的塵埃。2006年，該探測(cè)器完成任務(wù)返回地球，首次為人類(lèi)帶回了彗星及星際塵埃粒子的樣本。這些塵埃粒子可能攜帶有46億年前太陽(yáng)系誕生時(shí)最為原始的信息。

2002年，NASA旗下的阿斯彭氣凝膠公司開(kāi)發(fā)了一種新型氣凝膠，有望為人類(lèi)登陸火星研制一種具有保溫隔熱功能的宇航服襯里。據(jù)說(shuō)，宇航服涂上一層18毫米厚的這種氣凝膠之后，宇航員便能抵御零下130℃的低溫。

炙手可熱的新材料

由于氣凝膠具有極低的密度、高比表面積和高孔隙率，從而表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)以及電學(xué)性能，使其在航空航天、國(guó)防軍工、節(jié)能環(huán)保、石油化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。世界上的許多國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)新型氣凝膠材料，使得氣凝膠已發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，如硅氣凝膠、碳?xì)饽z、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠等。

在航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域，氣凝膠的應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢(shì)。氣凝膠保溫材料可作為飛機(jī)機(jī)艙的隔熱層材料，也可作為核潛艇、蒸汽動(dòng)力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料，可以增強(qiáng)隔熱效果，降低艙內(nèi)溫度，增大艙內(nèi)的使用空間。

2016年11月3日，我國(guó)新一代大運(yùn)力運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征”五號(hào)在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛，氣凝膠新材料就發(fā)揮了重要作用：我國(guó)研發(fā)的高性能納米氣凝膠隔熱氈為火箭燃?xì)夤苈废到y(tǒng)提供了有效的隔熱保溫手段。2017年4月26日，“天舟”一號(hào)貨運(yùn)飛船升空時(shí)搭載了一個(gè)用于物資保存的低溫鎖柜，打造這個(gè)太空“冰箱”的隔熱保溫材料的主角同樣是氣凝膠。

在建筑領(lǐng)域，氣凝膠的隔熱、阻燃、疏水、隔音、減震、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，非常適合于用作建筑節(jié)能墻體材料。在消防領(lǐng)域，應(yīng)用氣凝膠材料可以大幅降低消防衣物器材的重量和體積，延長(zhǎng)消防員在火場(chǎng)中的工作時(shí)間。在家電領(lǐng)域，應(yīng)用氣凝膠材料可以縮小家電體積，提高節(jié)能效果和安全性能。

在石油化工領(lǐng)域，應(yīng)用氣凝膠材料可有效減少外保溫層的用量，并且由于具有極佳的憎水性而不會(huì)腐蝕保溫管道，從而可以降低后期的維護(hù)費(fèi)用。將氣凝膠保溫氈應(yīng)用于稠油高溫注汽開(kāi)采管道保溫和煉化裝置介質(zhì)管線的保溫，可有效減少施工對(duì)象的體積，從而顯著提高管道的排布率。

在城市集中供熱中，做好保溫工作對(duì)保證供熱質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排都具有重要的意義。氣凝膠直埋保溫管可廣泛應(yīng)用于城市集中供熱的管道保溫，具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。如氣凝膠直埋保溫管保溫性能好，熱損失僅為傳統(tǒng)管材的25%。氣凝膠直埋保溫管占地少，施工快，有利于環(huán)境保護(hù)，并且使用壽命可達(dá)20年。

在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域，氣凝膠保溫材料也有用武之地。如在火力發(fā)電廠的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，應(yīng)用氣凝膠保溫材料可有效降低熱能的損失，從而提高熱源的利用效率。

我國(guó)的氣凝膠研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，取得了一系列重要成果，有些甚至走在了世界的前列。2018年9月1日實(shí)施的《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是我國(guó)第一個(gè)關(guān)于氣凝膠材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，必將為推動(dòng)我國(guó)的氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)揮積極的作用。