我們正處于探索外層空間的“新競賽”之中，新材料始終處于技術(shù)進(jìn)步的前沿。看一下航天服的需求，它既要保護(hù)宇航員不受太空極端溫度的影響，同時(shí)又要盡可能的薄和輕，以增強(qiáng)靈活性。
美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)了用于太空探索的氣凝膠絕緣材料，但近年來，氣凝膠已經(jīng)商業(yè)化，并在其他許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
氣凝膠是極好的絕熱材料。在這里，一塊氣凝膠可以保護(hù)花朵免受噴燈的傷害。
氣凝膠是一種先進(jìn)材料，由于其超多孔結(jié)構(gòu)，工程師不僅可以為宇航服和飛行器設(shè)計(jì)新的隔熱材料，還可以設(shè)計(jì)成過濾器、電池、太陽能集熱器等等。
然而，“氣凝膠”又不是一種材料。相反，它們是一種特殊的固體形式，可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成。雖然氣凝膠是固體，但它們含有許多微小的空隙或“氣孔”，所以它們大多是由空氣組成的。
那么，什么是氣凝膠？如何制作氣凝膠？氣凝膠的主要特性是什么？氣凝膠有哪些應(yīng)用？
什么是氣凝膠？
氣凝膠是超多孔材料，這意味著，雖然它們是固體，但它們內(nèi)部充滿了微小的氣孔。這些氣孔是氣凝膠獨(dú)特性能的關(guān)鍵。雖然有許多材料也是多孔的，如泡沫和某些陶瓷，但氣凝膠是一個(gè)極端的例子。
在氣凝膠中，氣孔占了材料的絕大部分，形成超輕的固體材料。氣凝膠中的氣孔非常小，比人的頭發(fā)還小得多，肉眼很難看到。正是由于氣凝膠是如此的輕和半透明性，以至于它們有凍結(jié)的煙霧（frozen smoke），固態(tài)的煙霧（solid smoke）、固態(tài)的空氣（solid air）和藍(lán)煙（blue smoke）這樣的昵稱。
Samuel Stephens Kistler在1931年發(fā)明氣凝膠。而這一切是因?yàn)樗cCharles Learned之間的賭注。他們二人當(dāng)時(shí)正比賽誰先將凝膠里的液體成分用氣體取代卻不使發(fā)泡的間壁收縮崩塌。最后Kistler辦到了。
氣凝膠的主要特性是什么？
氣凝膠是如此的多孔，其體積的95%都是空氣，這賦予了它們各種不同尋常的特性。它們是有史以來制造或發(fā)現(xiàn)的最輕的材料，這使得它們在航空航天應(yīng)用中特別有用，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，減輕重量是至關(guān)重要的。
氣凝膠極低的密度
盡管它們的名稱是氣凝膠，但它們不是凝膠，它們是高度多孔的固體，主要由空氣組成。氣凝膠一開始是液體，被轉(zhuǎn)化成凝膠，然后除去液體。它們獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)是通過保存微小顆粒在液相中結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)而形成的。訣竅是在去除液體的同時(shí)保留粒子之間的空間。這些空隙變成了氣凝膠中的氣孔。
盡管氣凝膠里有個(gè)膠字，但它其實(shí)是堅(jiān)硬而干燥的物質(zhì)，就其物理性質(zhì)與膠體一點(diǎn)也不類似。之所以被稱為膠，是由于它的制造過程提取于凝膠。
氣凝膠耐壓性
提起指尖輕輕在凝膠表面按壓一下，并不會(huì)留下痕跡；如果以加重的力道按壓會(huì)造成永久的凹陷；而加上足夠的力量會(huì)讓它如玻璃般破碎散落成塊。這個(gè)便是我們所知道的易脆性。
雖然它具有破碎的傾向，但是以結(jié)構(gòu)來說它仍是非常堅(jiān)固的。它優(yōu)秀的負(fù)載能力是源于其分子的組成：大約尺寸為2到5納米的球形聚合粒子互相結(jié)合成一個(gè)個(gè)小單元，進(jìn)而組合成樹突狀的微觀立體結(jié)構(gòu)。
這些小單元會(huì)形成分形鏈狀的三維結(jié)構(gòu)，其間充塞著大量的孔洞，每個(gè)孔洞尺寸不大于100納米。而這些孔洞的聚集密度以及個(gè)別的平均大小能夠經(jīng)由制造過程加以控制。
氣凝膠極低的熱導(dǎo)率
氣凝膠是優(yōu)良的熱絕緣體，氣凝膠幾乎能阻絕由三種傳熱方式（熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射）中的兩種帶來的熱量轉(zhuǎn)移。
凝膠中空氣的成分比例至少占95%以上，而空氣為熱的不良導(dǎo)體，故它們是好的熱傳導(dǎo)隔絕材料(不過金屬凝膠在作為絕緣體的用途時(shí)就不是那么有效)。例如硅凝膠，由于硅也為熱的不良導(dǎo)體，其隔絕性能又更加良好了。
就熱對流的方式而言，因?yàn)榭諝鉄o法跨越凝膠表面行對流作用，他們也是好的熱對流隔絕材料。
一般的氣凝膠對熱輻射不起太大的作用。但碳凝膠是好的熱輻射隔絕材料，因?yàn)樘荚卦跇?biāo)準(zhǔn)溫度下能夠吸收熱量轉(zhuǎn)移時(shí)散發(fā)的紅外線輻射。所以，現(xiàn)今性質(zhì)最好的氣凝膠是摻入部分碳元素的硅凝膠。
氣凝膠半透明性
因?yàn)闅饽z絕大部分是空氣，所以，大部分氣凝膠材料具有半透明性。因?yàn)槿鹄⑸涞挠绊?，氣凝膠里的微小樹突結(jié)構(gòu)會(huì)過濾可見光光譜中波長較短小的部分，而這就產(chǎn)生了它輕柔的顏色：在較暗的環(huán)境散發(fā)柔柔的藍(lán)光，在明亮的環(huán)境散發(fā)微微的黃光。
氣凝膠親水性和氣凝膠疏水性
氣凝膠本身的性質(zhì)是具親水性的，但是也可借由化學(xué)制程將它改變?yōu)槭杷?。凝膠在逐漸吸收水汽的過程中，會(huì)經(jīng)歷分子結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，比如尺寸縮小，甚至完全被毀壞。借由改變凝膠對于水汽的接受度，才能改善毀壞的現(xiàn)象。而疏水性制程能促進(jìn)膠體加工過程的便利性，便于使用水刀切割。
因?yàn)闅饽z吸濕的自然性質(zhì)，凝膠摸起來干干的，并表現(xiàn)出強(qiáng)大的吸水能力，為此，長時(shí)間拿著凝膠的人要穿著手套，以預(yù)防皮膚表面出現(xiàn)干燥脫水的現(xiàn)象。
如何制作氣凝膠？
氣凝膠借由超臨界干燥法將凝膠里頭的液體成分抽出。這種方法會(huì)令液體緩慢的被脫出，但不至于使凝膠里的固體結(jié)構(gòu)因?yàn)榘殡S的毛細(xì)作用被擠壓破碎。世界上第一個(gè)氣凝膠體的主要成分是硅膠。
Kistler隨后又造出了以鋁、鉻、氧化錫為基礎(chǔ)物質(zhì)的凝膠。第一個(gè)碳凝膠體則遲至1980年代以后才被開發(fā)。
最常見的硅氣凝膠類型是通過“Sol-Gel”工藝制成的：
- 將微小的固體顆粒與液體溶劑混合制成“溶膠”。
- 通過添加一種催化劑，把這種溶膠被制成一種“凝膠”，這種催化劑可以使粒子彼此結(jié)合，從而使混合物凝固。
- 通過干燥除去液體溶劑，僅留下固體氣凝膠。
氣凝膠的加工對形成其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。如果沒有半液態(tài)凝膠相所留下的超細(xì)孔，氣凝膠就不會(huì)有如此低的密度，也不會(huì)有如此優(yōu)良的隔熱性能。
氣凝膠有哪些應(yīng)用？
氣凝膠不是一種特殊的材料，而是一種經(jīng)過處理使其具有額外多孔性的材料。最常見的氣凝膠是由二氧化硅制成的，但也有由石墨烯、氧化鐵、聚合物等制成的氣凝膠。
氣凝膠也以各種形式出現(xiàn)，包括厚磚、柔性板和薄涂層。氣凝膠可用于多種用途，并已作為絕緣材料在市場上銷售。
氣凝膠絕緣
氣凝膠的低導(dǎo)熱性和低密度使其成為優(yōu)良的絕緣材料。此外，氣凝膠非常輕，幾乎不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量，這使得它們非常適合太空旅行，因?yàn)槊恳还餁饽z都需要花錢才能升到太空。
氣凝膠也是極好的絕緣體，可用于需要靈活性的薄層結(jié)構(gòu)中，如宇航服。NASA廣泛使用氣凝膠作為宇航服的主要隔熱材料，并在極端條件下保護(hù)電子設(shè)備免受損壞。
有些氣凝膠是半透明的，這意味著它們可以用在傳統(tǒng)絕緣材料無法使用的地方，比如窗戶和太陽能電池板。無論它們是用于地面建筑的天窗還是未來太空棲息地的窗戶，氣凝膠都能傳遞光，但可以阻礙熱量的傳遞。
這使它們成為使結(jié)構(gòu)易于加熱和冷卻，同時(shí)也讓更多的自然光進(jìn)入的理想材料。氣凝膠還被用作下一代太陽能集熱器的涂層，在這種情況下，氣凝膠可以讓光通過，但可以防止熱量散失。
氣凝膠阻止熱量流動(dòng)的能力也使其成為一種有效的偽裝形式，而氣凝膠涂層已經(jīng)測試證實(shí)，可作為一種躲避紅外攝像機(jī)的方法。
氣凝膠的吸附劑和過濾器
氣凝膠內(nèi)部的微小孔使它們具有特別高的比表面積，這意味著大量的固體材料可與其周圍環(huán)境接觸。
當(dāng)氣凝膠由能吸引并粘附在某些分子或顆粒上的材料制成時(shí)，它們可用作過濾器和吸附劑，將物質(zhì)捕集在孔中。
硅膠是一種極好的干燥劑，化學(xué)上安全，可用于食品
氣凝膠吸附劑的一個(gè)常見的“近親”是硅膠，它通常被用作從空氣中去除水分的干燥劑。大多數(shù)人都熟悉在空調(diào)系統(tǒng)和其他應(yīng)用中使用的保持食物和其他物品干燥的硅膠袋。當(dāng)硅膠被水飽和后，它可以通過在烤箱中加熱來“充電”，這樣可以蒸發(fā)掉毛孔表面的水分，讓它保持干燥并再次使用。
一般來說，干燥劑吸收的水量隨著比表面積的增加而增加。由于氣凝膠比傳統(tǒng)的硅凝膠有更高的比表面積，在鎖水能力上有更大的改進(jìn)。
氣凝膠用途
氣凝膠的高比表面積，意味著它們可與周圍環(huán)境接觸的物質(zhì)特別多。這使得氣凝膠在大量的化學(xué)和電化學(xué)過程中非常有用，可以通過溶液和固體基質(zhì)之間的接觸面積最大化來改善這些過程。
這些技術(shù)包括在各種工業(yè)化學(xué)過程中用作催化劑或催化劑襯底，以及在下一代超級電容器中用作電極。
NASA使用氣凝膠捕捉“星塵號”飛船上的太空塵埃顆粒。
顆粒在與固體碰撞時(shí)會(huì)蒸發(fā)并穿過氣體，但會(huì)被困在氣凝膠中。NASA還使用氣凝膠對隔熱火星探測器。
20世紀(jì)80年代初期，粒子物理學(xué)家認(rèn)識到SiO2氣凝膠將是氣凝膠切連科夫計(jì)數(shù)器（Aerogel Cherenkov Counter）粒子鑒別器（見切連科夫效應(yīng)）的理想介質(zhì)材料，試驗(yàn)需要大量的透明SiO2氣凝膠。
他們使用TMOS方法，制造了兩個(gè)大探測器：一個(gè)是在德國漢堡的DESY實(shí)驗(yàn)室的TASSO探測器，使用了1700升氣凝膠；另一個(gè)是歐洲粒子物理研究所（CERN）制造的探測器，使用了由瑞典隆德大學(xué)制備的1000升氣凝膠。
日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)B介子工廠的Belle實(shí)驗(yàn)偵測器中也使用氣凝膠切連科夫計(jì)數(shù)器。這個(gè)偵測器利用的氣凝膠介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性以及其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。
氣凝膠在太空偵測上也有多種用途，在俄羅斯的和平號太空站和美國的火星探路者上都有用到這種材料。
由于氣凝膠是一種可以由多種材料制成的結(jié)構(gòu)，研究人員不斷開發(fā)新的氣凝膠和新的使用它方法。隨著更多的新材料被制成氣凝膠，它們將推動(dòng)新的技術(shù)發(fā)展，如新的超級電容器、抗菌涂層、漏油吸收墊、骨植入物等。
由于其低導(dǎo)熱率，低密度，高表面積和半透明性的獨(dú)特組合，氣凝膠正在發(fā)展成為各種尖端材料技術(shù)。
最后，我們來關(guān)注一下當(dāng)下的熱點(diǎn)話題：新型冠狀病毒是否能氣溶膠傳播？
在2月9日舉行的國務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制新聞發(fā)布會(huì)上，中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制處研究員馮錄召表示，目前尚沒有證據(jù)顯示新型冠狀病毒通過氣溶膠傳播。
“目前，新型冠狀病毒主要的傳播途徑還是呼吸道飛沫傳播和接觸傳播，氣溶膠和糞口等傳播途徑尚待進(jìn)一步明確?！瘪T錄召透露，“通過流行病學(xué)調(diào)查顯示，病例多可以追蹤到與確診的病例有過近距離密切接觸的情況，這符合飛沫傳播和接觸傳播的特征?！?/p>
馮錄召介紹，氣溶膠傳播是指飛沫在空氣懸浮過程中失去水分而剩下的蛋白質(zhì)和病原體組成的核，形成飛沫核，可以通過氣溶膠的形式飄浮至遠(yuǎn)處，造成遠(yuǎn)距離的傳播。目前尚沒有證據(jù)顯示新型冠狀病毒通過氣溶膠傳播。
國家衛(wèi)健委最新印發(fā)了《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第五版 修正版）》，其中對病毒傳播途徑的表述也顯示，“氣溶膠和消化道等傳播途徑尚待明確”。
中國疾控中心流行病學(xué)首席專家吳尊友表示，對普通公眾而言，在一般的工作生活條件下，采取正確佩戴口罩的防飛沫傳播防護(hù)措施，足以得到有效保護(hù)?！霸诠矆鏊?，尤其是密閉環(huán)境中佩戴口罩，勤洗手，是最有效的防護(hù)措施。”
非常時(shí)期，對于疫情防控，我們需要高度重視，但也不必過度恐慌。堅(jiān)定信心、同舟共濟(jì)、科學(xué)防治、精準(zhǔn)施策，我們一定能打贏這場疫情防控阻擊戰(zhàn)。。
