世界上最轻的固体——气凝胶

  咦,这是什么?好像冻住的烟。


  这不是烟,而是一种固体,确切地说是世界上最轻的固体——气凝胶。

  气凝胶是什么?首先我们来认识下“凝胶”。

  一定浓度的高分子溶液或溶胶,在适当条件下,粘度逐渐增大,最后失去流动性,整个体系变成一种外观均匀,并保持一定形态的弹性半固体,这种弹性半固体称为凝胶。

  果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶,这种凝胶是被水或其他液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的,这就是“气凝胶”。

  1931年,美国科学家Samuel StephensKistler制备出了这种新材料,命名为“aerogel”,气凝胶。“aero”+“gel”描绘出这种新材料的特点,即一种由气体填充的凝胶。

  气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点:其骨架在纳米尺度。因此,当可见光穿过时散射较小,看上去像“冻住的烟”。

  气凝胶密度极低,是世界上最轻的固体。目前,最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶”,密度仅有0.16mg/cm3(去除空气密度),仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上,柔软的花蕊几乎没有变形。

  气凝胶的制备过程分为两步:制备湿凝胶、将湿凝胶通过特殊手法干燥。湿凝胶最传统的制备方法是溶胶-凝胶法。将含高化学活性组分的化合物分散在溶剂中,经过水解反应生成活性单体,活性单体聚合,形成溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。此时制作出来的凝胶有点类似于果冻,紧接着将果冻状凝胶进一步进行干燥处理即可得到气凝胶。由于表面张力的作用,通常状态下,凝胶内液体的挥发会使得凝胶脆弱的骨架坍塌。而通过冷冻干燥技术进行干燥可以解决这一问题。将湿凝胶在低温冷冻,接着置于真空条件下干燥。由于冷冻过程已经使得凝胶内的液体转变为固体,之后在真空环境中以升华的形式脱离凝胶骨架,这样就可以避免了液体挥发造成骨架坍塌的问题,得到我们所期待的气凝胶。


  “气凝胶有什么用途?”相信每个人都会有这样的疑问。回答也会是各式各样,“它有着极低的热导率,可以作为超级隔热材料”“它可以用作电极”“它可以用于污染治理”

  总的来讲,气凝胶的性能主要由两部分贡献:一部分是结构,简单地说就是由多孔性质衍生出的性能,比如优良的隔热性能。用火焰隔着气凝胶对一朵花进行加热,花朵几乎没有任何损伤。此外,某些气凝胶还表现出优异的吸附性能,如“碳海绵”。气凝胶可以制作成为保温毡,具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性,有望替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍。同时,“碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。这让人很容易想到用它来处理海上的漏油,将它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用。有望在治理海上漏油方面发挥重要作用。

  另一部分的性能来源于构成气凝胶骨架的成分处于纳米尺度。纳米尺度粒子本身具有的某些性能,以气凝胶的形式存在时,往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO2),当它以气凝胶的形式存在时,锂电池的放电性能得到了大幅度提高。

  作为一种诞生于20世纪初的材料,气凝胶本不属于最近发现的“新材料”,然而其各方面的优良特性使其受到广泛关注,这种材料的应用还需要去不断研究、探索。


来源: 金属研究所

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