气凝胶的前世今生

气凝胶正在不断走近人们的生活。

北京化工大学潘凯教授团队在制备石墨烯气凝胶时引入纳米纤维,通过对静电纺丝聚丙烯腈(PAN)纳米纤维进行预处理,之后采用冷冻干燥法将其和氧化石墨烯共同制备出具有“多层结构+孔结构+纳米纤维”多级结构的纳米纤维/石墨烯气凝胶。在此种气凝胶基础上组装的传感器,可以灵敏地监视人体的喉咙,腕部脉搏,手指,腕部和膝关节的实时运动,使潜在的健康检测应用成为可能。

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纳米纤维/石墨烯气凝胶基压阻传感器对人体不同部位动作的监测信号

东华大学俞建勇院士和丁彬教授团队通过以氧化硅纳米纤维、氧化硅纳米颗粒为构筑基元,通过纤维冷冻成型方法在纳米纤维/纳米颗粒间构筑了具有可再生杀菌功能的卤胺弹性粘结网络,进而制备出一种具有仿丝瓜络骨架结构的超弹氧化硅纳米纤维气凝胶。该材料具有超亲水性、高孔隙率、优异的杀菌性能和抗污功能,可实现对病菌污染的饮用水的高效净化。

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氧化硅纳米纤维气凝胶的抗污水净化应用

气凝胶,这种获得吉尼斯世界纪录认证“世界上最轻固体”的材料,在各个领域均不断有研发成果涌现,可谓广阔天地大有作为。但对于普通群众来说,最跟自己衣食住行相关的,非保暖衣莫属。在知乎一项关于“什么材料的衣服最保暖”的投票中,气凝胶拔得头筹,虽然我们暂时还没穿上气凝胶衣服,但的确越来越多的人已经认识到这种材料的优异性能。

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正如一位网友阐述的投票理由:没有什么比静止的空气更保暖了。因为空气一旦静止,不管是热气还是冷气都不会产生流动,冷气进不来,热气出不去,达成良好的保温效果。如果说真空玻璃窗依靠两块玻璃之间的空隙阻拦原子振动,让热难以传导,那么气凝胶这种发泡材料则等于亿万万层玻璃和空气,可想而知其隔热达到什么程度——用一盏点燃的煤气灯隔着气凝胶烘烤鲜花,几分钟后鲜花仍然芬芳如故,而隔着气凝胶烘烤的火柴也安然无恙,不会被高温点燃。

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气凝胶的隔热效果非常惊人

效果如此惊人,只用来做保暖衣显然不足以物尽其用。1997年,气凝胶在火星探路者号上使用,隔离仪器不受极高温的破坏,从此成为美国国家航空航天局宇宙飞船的标准绝热材料。1999年,气凝胶再次被委以重任,随星尘号宇宙飞船出征,执行人类首次的彗星尘埃采集任务。太空尘时速1.8万公里,比子弹还要快,可以直接击穿普通材料,而气凝胶每立方厘米内有数十亿个泡泡,能让太空尘粒子缓缓减速不会受损,完好无缺地拦阻住彗星抛出的尘埃样本,将其收入囊中,此举被地上的人们诗意地形容为“捉星星”。

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显微镜下看到的气凝胶内的彗星尘埃轨迹

材料学家马克·米奥多尼克形容自己第一次在实验室邂逅气凝胶为惊鸿一瞥:“它是透明的,却奇怪地呈乳白色,很像珠宝的全息图,是虚幻不实的物质……我忍不住胡思乱想,难道它是从外星人的宇宙飞船上抢来的?”气凝胶之所以给人虚无缥缈的感觉,源于其自身99.8%都是空气,物质含量极少、密度极低,因此没有明显的边角,放在暗色背景前呈蓝色,在浅色环境下则几乎消失不见,被称为“冻结的烟雾”。

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二氧化硅气凝胶是全世界最轻的固体,99.8%是空气

我们常形容一个东西很厉害就是“上天入地”,气凝胶已然遨游九天,至今仍是有诸多的可能性等待科学家们去发掘的前沿材料。然而,它的来头却异常可爱:化学家契史特勒发明气凝胶纯粹出于对果冻的兴趣。因为对“果冻算液体还是固体”这一疑问的追索,契史特勒发现明胶分子入水后会先分解再连成网状,把液体锁住让它无法流动。果冻几乎百分之百是水,熔点为35℃,放入口中后明胶网格就会瓦解,给我们带来液体的口感。

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吃货的力量是无穷的,契史特勒通过反复实验,证明胶体结构和内部液体互相独立,探索出了用气体代替胶体内液体的方法。为了达成更强韧的结构,他选择玻璃的主要成分,制造出了以二氧化硅为固体结构的胶体,接着再按先前的程序去除胶体中的液体,制造出了世界上最轻的固体——二氧化硅气凝胶。

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胶体内部结构

1931年,契史特勒把一系列实验的结果投给《自然》科学期刊,标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》。遗憾的是,在那个材料界突飞猛进的阶段,太多革命性的新材料登场,契史特勒直到逝世也没有看到气凝胶的应用成为主流。但和很多为未来发展而生的材料一样,气凝胶始终等候着人们的发掘,今天,科学家已经不断开发出多样的应用,从人类探索外太空,到个体的防寒保暖,气凝胶作为材料中的一员,正担负起推动文明进程的大任。

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