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气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”-岩拓气凝胶

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

气凝胶——世界上最轻的固体材料(石墨烯气凝胶是吉尼斯认定的世界最轻固体),因为其中包含了97%的空气和3%的固体结构,仅有空气密度的1.5倍。

除了非常轻之外,气凝胶还有非常好的隔热能力,这主要是因为“努森效应”,由于气凝胶大部分由二氧化硅和空气组成,二氧化硅固体导热能力一般,而空气的导热系数也很低。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

此外,气凝胶具有非常多纳米级的小孔,这些小孔能让空气难以扩散通过气凝胶来传递对流热。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

因此气凝胶常出现在需要耐高温的环境中,比如火星探测车上,就使用了气凝胶来进行保温。

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此外,气凝胶的防水性主要来自于改性,通过将表面极性的-OH变成非极性的-OR,就可以得到疏水性的气凝胶。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

这样一种“水火不侵”的材料,看起来好像是现代科技的最新产品,而实际上,气凝胶在20世纪30年代就出现了,最早由化学家塞缪尔·基斯勒制出。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

第一块气凝胶的诞生

凝胶物质其实很常见,像我们吃的果冻就是凝胶物质,属于固体和液体的结合体。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

正巧当时赛缪儿和同事查尔斯·勒尼德就拿果冻打个了赌,查尔斯认为使果冻成为凝胶的原因是由于其液体性质,但赛缪儿认为凝胶中具有固体结构,这也是形成凝胶的关键。

为了验证究竟谁是正确的,赛缪儿开始证明湿凝胶中含有相同大小和形状的连续固体网络的实验,实验的目的也很简单,就是将凝胶中的液体弄出去而保留固体结构,这样就可以证明凝胶和其中的液体没有啥关系。

但说起容易,做起来可不容易,如果只是单纯让凝胶中的液体蒸发,相应的固体结构势必也会收缩,因为在液体分子去除后,它们会相互吸引,从而拉扯周围的固体结构,那么凝胶从内部开始就会“坍塌”,直至缩小到原有体积的1/10。

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这种方法肯定不行,赛缪儿想来想去,只有将凝胶里面的液体替换掉才能保证保证固体结构的完整。

那么要替换的话,肯定只有使用气体了,因为凝胶已经包含了固体和液体两种物质状态。

不过正常的气体肯定不能将凝胶液体替换出来,所以赛缪儿选择曲线救国,通过加压加热让液体突破临界点,这样液体就成为了超临界流体(液体和气体之前没有差别),分子间也不再有相互吸引力。

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于是赛缪儿选取了硅酸钠作为原料,使用盐酸催化促进水解,水和乙醇作为溶剂交换机使其转变为醇凝胶。

然后将醇凝胶放入高温高压的环境中,待到其中的乙醇成为了超临界流体后,一边继续保持临界温度,一边对凝胶减压,随着压力的降低,乙醇分子作为气体释放出去。

接着从热源中取出凝胶,等到冷却后,原先在凝胶中的乙醇液体都变成气体挥发,只剩下了固体结构,并且其中充满了气体,这就是第一块气凝胶的诞生。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

相关研究在1931年发表在《自然》杂志上。

对制备气凝胶方法的改进

毫无疑问,这项研究是划时代的,但奇怪的是在之后的30多年中,气凝胶的研究工作几乎是停滞状态,主要因为当时制备的条件比较困难,耗费的时间也特别长。

直到1970年,里昂大学为了寻求一种可以在存储氧气和火箭燃料的多孔材料,翻出了30多年前的气凝胶,并且在赛缪儿的基础上改进了制备方法。

新的制备方法采用了烷氧基硅烷(TMOS)代替了硅酸钠,用甲醛代替了乙醇,这样制出的凝胶醇凝胶可制出更高质量的二氧化硅气凝胶,另外时间也快上了不少,此方法直接导致气凝胶科学的一项重大进步。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

方法改进之后,越多越多的研究人员加入到气凝胶领域。

1983年,伯克利实验室的微结构材料小组发现,剧毒的化合物TMOS可以用更安全的原硅酸四乙酯(TEOS)代替。

并通过溶胶——凝胶法来让TEOS水解和缩聚。

此外,微结构材料小组还发现,在超临界干燥之前,凝胶中的醇可以用液态二氧化碳代替,而不会损害气凝胶。

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液态二氧化碳

这代表了安全性的重大进步,因为二氧化碳不像醇类那样具有爆炸危险。

气凝胶的其他应用

随着对气凝胶研究的不断深入,粒子物理学家意识到这种纳米级的材料可以用来收集难以捕捉的契伦科夫辐射粒子,因为这些粒子闯入气凝胶的复杂结构后,很难从另一端穿出,从而留在气凝胶内。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

除了收集粒子,由NASA喷气推进实验室制备的二氧化硅气凝胶,还搭上了去太空的“航班”,并承担了收集彗星微粒的任务。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

说了这么多,相信大家也了解了气凝胶各种特性和不断改进的制备方法,无论从哪方面来看,它都非常优秀,可为什么还没有普及到大众生活中呢?

首先还是生产,即使制备方法经过了多次改进,最关键的超临界条件还是设置了门槛。

其次,气凝胶工业生产还有一个严峻的挑战,那就是气凝胶很脆,虽然它的承重能力很强,可惜的是,它的张力非常小,稍微用力一掰就能将它“一分为二”,所以一般还需要加入其他的添加剂。

气凝胶:一种受目前科学限制的“未来材料”

还有不得不提的价格问题,大约6立方厘米的气凝胶价格就在350人民币左右,因此成本也是制约生产应用的因素。

但这些问题都瑕不掩瑜,气凝胶从出生到现在,依然像是一个超前了许多年的未来材料,具有非常大的潜力。

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