（原）材料視角 | 最輕的材料之氣凝膠

2021-01-23 21:02 作者:青春材制 0人讀過 | 我要投稿

初原載于?工大材料匯????2020-03-31

未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載

最輕的材料——氣凝膠

這是什么東西？是煙？還是固體？

這個像煙一樣的東西是世界上最輕的固體——氣凝膠

什么是氣凝膠？

我們先來認識一下凝膠。?

?一定濃度的高分子溶液或溶膠，在適當(dāng)條件下，粘度逐漸增大，最后失去流動性，整個體系變成一種外觀均勻，并保持一定形態(tài)的彈性半固體，這種彈性半固體稱為凝膠。果凍是最早被科學(xué)家們認識的一種凝膠，這種凝膠是被水或其他液體充滿后形成的。還有一些凝膠是被氣體充滿后構(gòu)成的，這就是“氣凝膠”。

氣凝膠，作為世界最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。目前，最輕的氣凝膠是一種“全碳氣凝膠”，密度僅有0.16mg/cm3（去除空氣密度），僅為空氣密度的1/6。把這種材料放在花朵上，柔軟的花蕊幾乎沒有變形。氣凝膠相比于普通多孔材料有一個重要的特點：其骨架在納米尺度。因此，當(dāng)可見光穿過時散射較小，看上去像“凍住的煙”。

關(guān)于氣凝膠的傳奇故事眾說紛紜。但公認的是上世紀20年代, 來源于Samuel Kistler教授與同事Charles Learned之間的賭局。Kistler認為物體之所以呈凝膠狀，并非由于它的液體屬性而是結(jié)構(gòu)所致:特指納米微孔網(wǎng)絡(luò)。要證明這一點其實很簡單, 即蒸發(fā)掉凝膠內(nèi)部全部的液體, 剩下類似海綿蛋糕的結(jié)構(gòu), 最后讓空氣代替液體填滿凝膠間隙。然而凝膠原有的結(jié)構(gòu)并沒有被破壞, 這也是那次打賭的結(jié)果。經(jīng)過數(shù)次實驗的失敗, Kistler終于成功地用氣體代替液體。

氣凝膠的制備

氣凝膠的制備過程分為兩步：制備濕凝膠、將濕凝膠通過特殊手法干燥。

?濕凝膠最傳統(tǒng)的制備方法是溶膠-凝膠法。將含高化學(xué)活性組分的化合物分散在溶劑中，經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體，活性單體聚合，形成溶膠，進而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。此時制作出來的凝膠有點類似于果凍，緊接著將果凍狀凝膠進一步進行干燥處理即可得到氣凝膠。由于表面張力的作用，通常狀態(tài)下，凝膠內(nèi)液體的揮發(fā)會使得凝膠脆弱的骨架坍塌。而通過冷凍干燥技術(shù)進行干燥可以解決這一問題。將濕凝膠在低溫冷凍，接著置于真空條件下干燥。由于冷凍過程已經(jīng)使得凝膠內(nèi)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，之后在真空環(huán)境中以升華的形式脫離凝膠骨架，這樣就可以避免了液體揮發(fā)造成骨架坍塌的問題，得到我們所期待的氣凝膠。

“最輕材料”之爭

2011年，美國科學(xué)家以鎳材料做出的氣凝膠，成為了當(dāng)時世界上最輕的材料。在真空中，1立方厘米的這種氣凝膠只有0.9毫克重，比空氣還要輕。

然而，很快，在2012年，英國和德國的幾位科學(xué)家研制出了全球最輕的氣凝膠——“飛行石墨”。1立方厘米的“飛行石墨”只有0.18毫克重，幾乎是由99.99%的空氣構(gòu)成的。

2013年3月，我國浙江大學(xué)的一個研究小組，利用碳納米管和石墨烯制備出了一種超輕氣凝膠，取名為“碳海綿”。它有多輕呢？在真空中，1立方厘米的碳海綿只重0.16毫克，而相同體積普通空氣的重量是它的7倍左右，比同體積的氦氣還要輕。

氣凝膠的應(yīng)用

清理石油污染

碳海綿的彈性很好，被壓縮80%后還可以恢復(fù)原狀。它對油具有超快、超高的吸附力，是目前吸油能力最強的材料?，F(xiàn)在的吸油產(chǎn)品，一般只能吸收自身重量10倍左右的油，而碳海綿的吸油量是它自身重量的250倍，最高可達900倍，神奇的是，碳海綿只吸油不吸水。另外，它吸油的速度非常快：每克碳海綿每秒可以吸收68.8克油。

應(yīng)用于建筑材料?

混凝土是當(dāng)前建筑行業(yè)大量使用的建筑材料，被廣泛地應(yīng)用到建筑主體之中。建筑結(jié)構(gòu)中，有很大一部分建筑的熱量被混凝土結(jié)構(gòu)所帶走。因此，隔熱與保溫對于建筑能耗的重要性不言而喻。應(yīng)用氣凝膠突出的效能，不但可以讓整個混凝土結(jié)構(gòu)的自重減輕，而且其特殊的抗壓性能也是當(dāng)前結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要屬性。建筑行業(yè)將SiO2列入最優(yōu)秀的絕緣保溫材料，通過加入60%氣凝膠，可以制作出導(dǎo)熱性能出色的氣凝膠混凝土。

應(yīng)用于消防服隔熱層

氣凝膠材料具有非常良好的隔熱性能，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)于20-30塊普通玻璃的隔熱效果，熔點高達到1000℃，最高能承受1400℃的高溫。將氣凝膠隔熱材料應(yīng)用到現(xiàn)役消防服織物中，用氣凝膠填充的隔熱消防服的重量比傳統(tǒng)消防服的重量降低70%以上，可使消防服裝更為輕薄，從而減輕消防戰(zhàn)士的負擔(dān)。

航空領(lǐng)域的應(yīng)用

?1999年, NASA發(fā)射了著名的“星塵”號探測器。探測器上利用260個氣凝膠立方體捕獲高速運動的彗星塵埃顆粒。當(dāng)“星塵號”探測器穿過彗星塵埃時，彗星塵埃的速度很快，約為6.1千米每秒，這差不多是步槍子彈初速的9倍。如果用常規(guī)方法收集這些塵埃粒子，由于過快的沖擊速度，彗星塵埃的的外形和化學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，有的甚至?xí)耆黄?。為了在收集時不破壞它們，氣凝膠樣品采集器使用了硅基固體材料，內(nèi)部有海綿那樣的多孔結(jié)構(gòu)，99.8％的空間被真空填充。當(dāng)顆粒轟擊塵埃收集裝置時, 在氣凝膠的緩沖下慢慢停止, 最后在氣凝膠上成功保存了塵埃初始的狀態(tài), 并留下運動軌跡，便于科學(xué)家找到宇宙微粒。