气凝胶——未来的绝缘材料

我们正处于探索外层空间的“新竞赛”之中,新材料始终处于技术进步的前沿。看一下航天服的需求,它既要保护宇航员不受太空极端温度的影响,同时又要尽可能的薄和轻,以增强灵活性。

专栏:气凝胶——未来的绝缘材料

美国国家航空航天局(NASA)开发了用于太空探索的气凝胶绝缘材料,但近年来,气凝胶已经商业化,并在其他许多领域得到了应用。

气凝胶是极好的绝热材料。在这里,一块气凝胶可以保护花朵免受喷灯的伤害。

气凝胶是一种先进材料,由于其超多孔结构,工程师不仅可以为宇航服和飞行器设计新的隔热材料,还可以设计成过滤器、电池、太阳能集热器等等。

然而,“气凝胶”又不是一种材料。相反,它们是一种特殊的固体形式,可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成。虽然气凝胶是固体,但它们含有许多微小的空隙或“气孔”,所以它们大多是由空气组成的。

那么,什么是气凝胶?如何制作气凝胶?气凝胶的主要特性是什么?气凝胶有哪些应用?

什么是气凝胶?

气凝胶是超多孔材料,这意味着,虽然它们是固体,但它们内部充满了微小的气孔。这些气孔是气凝胶独特性能的关键。虽然有许多材料也是多孔的,如泡沫和某些陶瓷,但气凝胶是一个极端的例子。

在气凝胶中,气孔占了材料的绝大部分,形成超轻的固体材料。气凝胶中的气孔非常小,比人的头发还小得多,肉眼很难看到。正是由于气凝胶是如此的轻和半透明性,以至于它们有冻结的烟雾(frozen smoke),固态的烟雾(solid smoke)、固态的空气(solid air)和蓝烟(blue smoke)这样的昵称。

Samuel Stephens Kistler在1931年发明气凝胶。而这一切是因为他与Charles Learned之间的赌注。他们二人当时正比赛谁先将凝胶里的液体成分用气体取代却不使发泡的间壁收缩崩塌。最后Kistler办到了。

 

气凝胶的主要特性是什么?

气凝胶是如此的多孔,其体积的95%都是空气,这赋予了它们各种不同寻常的特性。它们是有史以来制造或发现的最轻的材料,这使得它们在航空航天应用中特别有用,因为在这些应用中,减轻重量是至关重要的。

气凝胶极低的密度

尽管它们的名称是气凝胶,但它们不是凝胶,它们是高度多孔的固体,主要由空气组成。气凝胶一开始是液体,被转化成凝胶,然后除去液体。它们独特的孔隙结构是通过保存微小颗粒在液相中结合形成的结构而形成的。诀窍是在去除液体的同时保留粒子之间的空间。这些空隙变成了气凝胶中的气孔。

尽管气凝胶里有个胶字,但它其实是坚硬而干燥的物质,就其物理性质与胶体一点也不类似。之所以被称为胶,是由于它的制造过程提取于凝胶。

气凝胶耐压性

提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下,并不会留下痕迹;如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷;而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。

虽然它具有破碎的倾向,但是以结构来说它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力是源于其分子的组成:大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元,进而组合成树突状的微观立体结构。

这些小单元会形成分形链状的三维结构,其间充塞著大量的孔洞,每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。

气凝胶极低的热导率

气凝胶是优良的热绝缘体,气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式(热传导、热对流、热辐射)中的两种带来的热量转移。

凝胶中空气的成分比例至少占95%以上,而空气为热的不良导体,故它们是好的热传导隔绝材料(不过金属凝胶在作为绝缘体的用途时就不是那么有效)。例如硅凝胶,由于硅也为热的不良导体,其隔绝性能又更加良好了。

就热对流的方式而言,因为空气无法跨越凝胶表面行对流作用,他们也是好的热对流隔绝材料。

一般的气凝胶对热辐射不起太大的作用。但碳凝胶是好的热辐射隔绝材料,因为碳元素在标准温度下能够吸收热量转移时散发的红外线辐射。所以,现今性质最好的气凝胶是掺入部分碳元素的硅凝胶。

气凝胶半透明性

因为气凝胶绝大部分是空气,所以,大部分气凝胶材料具有半透明性。因为瑞利散射的影响,气凝胶里的微小树突结构会过滤可见光光谱中波长较短小的部分,而这就产生了它轻柔的颜色:在较暗的环境散发柔柔的蓝光,在明亮的环境散发微微的黄光。

气凝胶亲水性和气凝胶疏水性

气凝胶本身的性质是具亲水性的,但是也可借由化学制程将它改变为疏水性。凝胶在逐渐吸收水汽的过程中,会经历分子结构的变动,比如尺寸缩小,甚至完全被毁坏。借由改变凝胶对于水汽的接受度,才能改善毁坏的现象。而疏水性制程能促进胶体加工过程的便利性,便于使用水刀切割。

因为气凝胶吸湿的自然性质,凝胶摸起来干干的,并表现出强大的吸水能力,为此,长时间拿着凝胶的人要穿着手套,以预防皮肤表面出现干燥脱水的现象。

 

如何制作气凝胶?

专栏:气凝胶——未来的绝缘材料

气凝胶借由超临界干燥法将凝胶里头的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢的被脱出,但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。世界上第一个气凝胶体的主要成分是硅胶。

Kistler随后又造出了以铝、铬、氧化锡为基础物质的凝胶。第一个碳凝胶体则迟至1980年代以后才被开发。

最常见的硅气凝胶类型是通过“Sol-Gel”工艺制成的:

  1. 将微小的固体颗粒与液体溶剂混合制成“溶胶”。
  2. 通过添加一种催化剂,把这种溶胶被制成一种“凝胶”,这种催化剂可以使粒子彼此结合,从而使混合物凝固。
  3. 通过干燥除去液体溶剂,仅留下固体气凝胶。

气凝胶的加工对形成其独特的微观结构至关重要。如果没有半液态凝胶相所留下的超细孔,气凝胶就不会有如此低的密度,也不会有如此优良的隔热性能。

 

气凝胶有哪些应用?

气凝胶不是一种特殊的材料,而是一种经过处理使其具有额外多孔性的材料。最常见的气凝胶是由二氧化硅制成的,但也有由石墨烯、氧化铁、聚合物等制成的气凝胶。

气凝胶也以各种形式出现,包括厚砖、柔性板和薄涂层。气凝胶可用于多种用途,并已作为绝缘材料在市场上销售。

气凝胶绝缘

气凝胶的低导热性和低密度使其成为优良的绝缘材料。此外,气凝胶非常轻,几乎不会增加结构的重量,这使得它们非常适合太空旅行,因为每一公斤气凝胶都需要花钱才能升到太空。

气凝胶也是极好的绝缘体,可用于需要灵活性的薄层结构中,如宇航服。NASA广泛使用气凝胶作为宇航服的主要隔热材料,并在极端条件下保护电子设备免受损坏。

专栏:气凝胶——未来的绝缘材料

有些气凝胶是半透明的,这意味着它们可以用在传统绝缘材料无法使用的地方,比如窗户和太阳能电池板。无论它们是用于地面建筑的天窗还是未来太空栖息地的窗户,气凝胶都能传递光,但可以阻碍热量的传递。

这使它们成为使结构易于加热和冷却,同时也让更多的自然光进入的理想材料。气凝胶还被用作下一代太阳能集热器的涂层,在这种情况下,气凝胶可以让光通过,但可以防止热量散失。

气凝胶阻止热量流动的能力也使其成为一种有效的伪装形式,而气凝胶涂层已经测试证实,可作为一种躲避红外摄像机的方法。

气凝胶的吸附剂和过滤器

气凝胶内部的微小孔使它们具有特别高的比表面积,这意味着大量的固体材料可与其周围环境接触。

当气凝胶由能吸引并粘附在某些分子或颗粒上的材料制成时,它们可用作过滤器和吸附剂,将物质捕集在孔中。

专栏:气凝胶——未来的绝缘材料

硅胶是一种极好的干燥剂,化学上安全,可用于食品

气凝胶吸附剂的一个常见的“近亲”是硅胶,它通常被用作从空气中去除水分的干燥剂。大多数人都熟悉在空调系统和其他应用中使用的保持食物和其他物品干燥的硅胶袋。当硅胶被水饱和后,它可以通过在烤箱中加热来“充电”,这样可以蒸发掉毛孔表面的水分,让它保持干燥并再次使用。

一般来说,干燥剂吸收的水量随着比表面积的增加而增加。由于气凝胶比传统的硅凝胶有更高的比表面积,在锁水能力上有更大的改进。

气凝胶用途

气凝胶的高比表面积,意味着它们可与周围环境接触的物质特别多。这使得气凝胶在大量的化学和电化学过程中非常有用,可以通过溶液和固体基质之间的接触面积最大化来改善这些过程。

这些技术包括在各种工业化学过程中用作催化剂或催化剂衬底,以及在下一代超级电容器中用作电极。

NASA使用气凝胶捕捉“星尘号”飞船上的太空尘埃颗粒。

颗粒在与固体碰撞时会蒸发并穿过气体,但会被困在气凝胶中。NASA还使用气凝胶对隔热火星探测器。

20世纪80年代初期,粒子物理学家认识到SiO2气凝胶将是气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter)粒子鉴别器(见切连科夫效应)的理想介质材料,试验需要大量的透明SiO2气凝胶。

他们使用TMOS方法,制造了两个大探测器:一个是在德国汉堡的DESY实验室的TASSO探测器,使用了1700升气凝胶;另一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器,使用了由瑞典隆德大学制备的1000升气凝胶。

日本高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验侦测器中也使用气凝胶切连科夫计数器。这个侦测器利用的气凝胶介于液体与气体之低折射系数特性以及其高透光度与固态的性质,优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。

气凝胶在太空侦测上也有多种用途,在俄罗斯的和平号太空站和美国的火星探路者上都有用到这种材料。

由于气凝胶是一种可以由多种材料制成的结构,研究人员不断开发新的气凝胶和新的使用它方法。随着更多的新材料被制成气凝胶,它们将推动新的技术发展,如新的超级电容器、抗菌涂层、漏油吸收垫、骨植入物等。

由于其低导热率,低密度,高表面积和半透明性的独特组合,气凝胶正在发展成为各种尖端材料技术。

 

最后,我们来关注一下当下的热点话题:新型冠状病毒是否能气溶胶传播?

在2月9日举行的国务院联防联控机制新闻发布会上,中国疾病预防控制中心传染病预防控制处研究员冯录召表示,目前尚没有证据显示新型冠状病毒通过气溶胶传播。

“目前,新型冠状病毒主要的传播途径还是呼吸道飞沫传播和接触传播,气溶胶和粪口等传播途径尚待进一步明确。”冯录召透露,“通过流行病学调查显示,病例多可以追踪到与确诊的病例有过近距离密切接触的情况,这符合飞沫传播和接触传播的特征。”

冯录召介绍,气溶胶传播是指飞沫在空气悬浮过程中失去水分而剩下的蛋白质和病原体组成的核,形成飞沫核,可以通过气溶胶的形式飘浮至远处,造成远距离的传播。目前尚没有证据显示新型冠状病毒通过气溶胶传播。

国家卫健委最新印发了《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第五版 修正版)》,其中对病毒传播途径的表述也显示,“气溶胶和消化道等传播途径尚待明确”。

中国疾控中心流行病学首席专家吴尊友表示,对普通公众而言,在一般的工作生活条件下,采取正确佩戴口罩的防飞沫传播防护措施,足以得到有效保护。“在公共场所,尤其是密闭环境中佩戴口罩,勤洗手,是最有效的防护措施。”

非常时期,对于疫情防控,我们需要高度重视,但也不必过度恐慌。坚定信心、同舟共济、科学防治、精准施策,我们一定能打赢这场疫情防控阻击战。。

 

相关新闻

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

微信