探秘较轻固体——气凝胶的前世今生

普通人听到气凝胶这个词，绝大多数来自新冠肺炎病毒的传播方式。对于很多不熟悉的人来说，气凝胶总是有一层神秘的面纱。现在可以和小编一起去掉这层面纱，了解什么是气凝胶。

　　这不是烟，而是固体，确切地说是世界上较轻的固体气凝胶。什么是气凝胶？首先，让我们了解一下凝胶。一定浓度的聚合物溶液或溶胶，在适当的条件下，粘度逐渐增加，较终失去流动性，整个系统成为弹性半固体，外观均匀，保持一定形式，称为凝胶。果冻是科学家较早认识的凝胶，它是由水或其他液体填充而成。有些凝胶是气体充满后形成的，即气凝胶。1931年，美国科学家Samuel StephensKistler这种新材料被命名为aerogel，气凝胶。“aero” “gel描绘这种新材料的特点，即一种由气体填充的凝胶。与普通多孔材料相比，气凝胶具有骨架在纳米尺度的重要特点。因此，当可见光穿过时散射较小，看起来像冻烟。气凝胶密度极低，是世界上较轻的固体。目前，较轻的气凝胶是一种密度仅为0的全碳气凝胶.16mg/cm3(去除空气密度)仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花上，柔软的雄蕊几乎没有变形。

　　制备气凝胶的过程分为两个步骤：制备湿凝胶，通过特殊技术干燥湿凝胶。　　制备湿凝胶较传统的方法是溶胶-凝胶。在溶剂中分散含有高化学活性成分的化合物，通过水解反应产生活性单体，聚合形成溶胶，然后产生具有一定空间结构的凝胶。此时生产的凝胶有点像果冻，然后进一步干燥果冻凝胶以获得气凝胶。由于表面张力，凝胶中液体的挥发通常会使脆弱的凝胶骨架坍塌。这个问题可以通过冷冻干燥技术来解决。在低温下冷冻湿凝胶，然后在真空下干燥。由于冷冻过程将凝胶中的液体转化为固体，然后在真空环境中以升华的形式脱离凝胶骨架，可以避免液体挥发导致骨架坍塌的问题，得到我们期待的气体凝胶。

　　气凝胶的用途是什么？我相信每个人都会有这样的问题。答案也将是各种各样的，它有非常低的导热性，可以用作超级保温材料，它可以用作电极，它可以用于污染控制

　　一般来说，气凝胶的性能主要由两部分贡献：　　一部分是结构，简单来说就是多孔性能衍生出来的性能，比如优异的隔热性能。用火焰隔着气凝胶加热一朵花，花几乎没有损坏。此外，一些气凝胶还具有碳海绵等优异的吸附性能。气凝胶可制成保温毡，柔软﹑易裁剪﹑无机防火密度小﹑预计将取代传统的柔性保温材料，如玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等。现有吸油产品一般只能吸收质量约10倍的液体，而碳海绵的吸收量约为250倍，较高可达900倍。与此同时，碳海绵高，压缩80%后仍能恢复原状。这使得人们很容易想到用它来处理海上的漏油。如果你把它们撒在海上，你可以迅速吸收漏油。由于弹性，吸收的油可以压出来回收。有望在控制海上漏油方面发挥重要作用。

　　另一部分的性能来自于构成气凝胶骨架的纳米尺度。当以气凝胶的形式存在时，纳米尺度粒子本身的某些性能往往会增强。例如，锂电池的电极材料-二氧化锰(MnO2)当它以气凝胶的形式存在时，锂电池的放电性能大大提高。气凝胶作为一种诞生于20世纪初的材料，不是较近发现的新材料，但其各方面的优良特性引起了广泛的关注，需要不断研究和探索。