氣凝膠——世界上最輕的固體材料（石墨烯氣凝膠是吉尼斯認(rèn)定的世界最輕固體），因?yàn)槠渲邪?7%的空氣和3%的固體結(jié)構(gòu)，僅有空氣密度的1.5倍。

除了很輕之外，氣凝膠還有非常好的隔熱能力，這主要是因?yàn)椤芭?yīng)”。由于氣凝膠大部分由二氧化硅和空氣組成，二氧化硅固體導(dǎo)熱能力一般，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)也很低。

(資料圖片)

此外，氣凝膠具有非常多納米級(jí)的小孔，這些小孔能讓空氣難以擴(kuò)散通過(guò)氣凝膠來(lái)傳遞對(duì)流熱。

因此氣凝膠常出現(xiàn)在需要耐高溫的環(huán)境中，比如火星探測(cè)車上，就使用了氣凝膠來(lái)進(jìn)行保溫。

此外，氣凝膠的防水性主要來(lái)自于改性，通過(guò)將表面極性的-OH變成非極性的-OR，就可以得到疏水性的氣凝膠。

這樣一種“水火不侵”的材料，看起來(lái)好像是現(xiàn)代科技的最新產(chǎn)品，而實(shí)際上，氣凝膠在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了，最早由化學(xué)家塞繆爾·基斯勒制出。

第一塊氣凝膠的誕生

凝膠物質(zhì)其實(shí)很常見，像我們吃的果凍就是凝膠物質(zhì)，屬于固體和液體的結(jié)合體。

正巧當(dāng)時(shí)賽繆兒和同事查爾斯·勒尼德就拿果凍打個(gè)了賭，查爾斯認(rèn)為使果凍成為凝膠的原因是由于其液體性質(zhì)，但賽繆兒認(rèn)為凝膠中具有固體結(jié)構(gòu)，這也是形成凝膠的關(guān)鍵。

為了驗(yàn)證究竟誰(shuí)是正確的，賽繆爾開始證明濕凝膠中含有相同大小和形狀的連續(xù)固體網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的也很簡(jiǎn)單，就是將凝膠中的液體弄出去而保留固體結(jié)構(gòu)，這樣就可以證明凝膠和其中的液體沒(méi)有啥關(guān)系。

但說(shuō)起容易，做起來(lái)可不容易，如果只是單純讓凝膠中的液體蒸發(fā)，相應(yīng)的固體結(jié)構(gòu)勢(shì)必也會(huì)收縮。

因?yàn)樵谝后w分子去除后，它們會(huì)相互吸引，從而拉扯周圍的固體結(jié)構(gòu)，那么凝膠從內(nèi)部開始就會(huì)“坍塌”，直至縮小到原有體積的1/10。

這種方法肯定不行，賽繆兒想來(lái)想去，只有將凝膠里面的液體替換掉才能保證保證固體結(jié)構(gòu)的完整。

那么要替換的話，肯定只有使用氣體了，因?yàn)槟z已經(jīng)包含了固體和液體兩種物質(zhì)狀態(tài)。

不過(guò)正常的氣體肯定不能將凝膠液體替換出來(lái)，所以賽繆爾選擇曲線救國(guó)，通過(guò)加壓加熱讓液體突破臨界點(diǎn)，這樣液體就成為了超臨界流體（液體和氣體之間基本沒(méi)有差別），分子間也不再有相互吸引力。

賽繆爾選取了硅酸鈉作為原料，使用鹽酸催化促進(jìn)水解，水和乙醇作為溶劑交換機(jī)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇寄z，然后將醇凝膠放入高溫高壓的環(huán)境中，待到其中的乙醇成為了超臨界流體后，一邊繼續(xù)保持臨界溫度，一邊對(duì)凝膠減壓，隨著壓力的降低，乙醇分子作為氣體釋放出去。

賽繆爾在實(shí)驗(yàn)室

接著從熱源中取出凝膠，等到冷卻后，原先在凝膠中的乙醇液體都變成氣體揮發(fā)，只剩下了固體結(jié)構(gòu)，并且其中充滿了氣體，這就是第一塊氣凝膠的誕生。

對(duì)氣凝膠制備方法的改進(jìn)

毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)研究是劃時(shí)代的，但奇怪的是在之后的30多年中，氣凝膠的研究工作幾乎是停滯狀態(tài)，主要因?yàn)楫?dāng)時(shí)制備的條件比較困難，耗費(fèi)的時(shí)間也特別長(zhǎng)。

直到1970年，里昂大學(xué)為了尋求一種可以在存儲(chǔ)氧氣和火箭燃料的多孔材料，翻出了30多年前的氣凝膠，并且在賽繆爾的基礎(chǔ)上改進(jìn)了制備方法。

新的制備方法采用了烷氧基硅烷（TMOS）代替了硅酸鈉，用甲醛代替了乙醇，這樣制出的凝膠醇凝膠可制出更高質(zhì)量的二氧化硅氣凝膠，另外時(shí)間也快上了不少，此方法直接導(dǎo)致氣凝膠科學(xué)的一項(xiàng)重大進(jìn)步。

方法改進(jìn)之后，越多越多的研究人員加入到氣凝膠領(lǐng)域。

1983年，伯克利實(shí)驗(yàn)室的微結(jié)構(gòu)材料小組發(fā)現(xiàn)，劇毒的化合物TMOS可以用更安全的原硅酸四乙酯（TEOS）代替。并通過(guò)溶膠——凝膠法來(lái)讓TEOS水解和縮聚。

并且，微結(jié)構(gòu)材料小組還發(fā)現(xiàn)，在超臨界干燥之前，凝膠中的醇可以用液態(tài)二氧化碳代替，而不會(huì)損害氣凝膠。

這代表了安全性的重大進(jìn)步，因?yàn)?strong>二氧化碳不像醇類那樣具有爆炸危險(xiǎn)。

氣凝膠的其他應(yīng)用

隨著對(duì)氣凝膠研究的不斷深入，粒子物理學(xué)家意識(shí)到這種納米級(jí)的材料可以用來(lái)收集難以捕捉的契倫科夫輻射粒子，因?yàn)檫@些粒子闖入氣凝膠的復(fù)雜結(jié)構(gòu)后，很難從另一端穿出，從而留在氣凝膠內(nèi)。

捕捉粒子的痕跡

除了收集粒子，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制備的二氧化硅氣凝膠，還搭上了去太空的“航班”，并承擔(dān)了收集彗星微粒的任務(wù)。

說(shuō)了這么多，相信大家也了解了氣凝膠各種特性和不斷改進(jìn)的制備方法，無(wú)論從哪方面來(lái)看，它都非常優(yōu)秀，可為什么還沒(méi)有普及到大眾生活中呢？

首先還是生產(chǎn)，即使制備方法經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn)，最關(guān)鍵的超臨界條件還是設(shè)置了門檻。

其次，氣凝膠工業(yè)生產(chǎn)還有一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，那就是氣凝膠很脆，雖然它的承重能力很強(qiáng)，可惜的是，它的張力非常小，稍微用力一捏就能將它“一分為二”，所以一般還需要加入其他的添加劑。

還有不得不提的價(jià)格問(wèn)題，大約6立方厘米的氣凝膠價(jià)格就在350人民幣左右，因此成本也是制約生產(chǎn)應(yīng)用的因素。

但這些問(wèn)題都瑕不掩瑜，氣凝膠從出生到現(xiàn)在，依然像是一個(gè)超前了許多年的“未來(lái)材料”，具有非常大的潛力。

標(biāo)簽： 制備方法 二氧化硅