氣凝膠——未來的絕緣材料

我們正處於探索外層空間的“新競賽”之中,新材料始終處於技術進步的前沿。看一下航天服的需求,它既要保護宇航員不受太空極端溫度的影響,同時又要盡可能的薄和輕,以增強靈活性。

專欄:氣凝膠——未來的絕緣材料

美國國傢航空航天局(NASA)開發瞭用於太空探索的氣凝膠絕緣材料,但近年來,氣凝膠已經商業化,並在其他許多領域得到瞭應用。

氣凝膠是極好的絕熱材料。在這裡,一塊氣凝膠可以保護花朵免受噴燈的傷害。

氣凝膠是一種先進材料,由於其超多孔結構,工程師不僅可以為宇航服和飛行器設計新的隔熱材料,還可以設計成過濾器、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,可以由二氧化矽、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。

那麼,什麼是氣凝膠?如何制作氣凝膠?氣凝膠的主要特性是什麼?氣凝膠有哪些應用?

什麼是氣凝膠?

氣凝膠是超多孔材料,這意味著,雖然它們是固體,但它們內部充滿瞭微小的氣孔。這些氣孔是氣凝膠獨特性能的關鍵。雖然有許多材料也是多孔的,如泡沫和某些陶瓷,但氣凝膠是一個極端的例子。

在氣凝膠中,氣孔占瞭材料的絕大部分,形成超輕的固體材料。氣凝膠中的氣孔非常小,比人的頭發還小得多,肉眼很難看到。正是由於氣凝膠是如此的輕和半透明性,以至於它們有凍結的煙霧(frozen smoke),固態的煙霧(solid smoke)、固態的空氣(solid air)和藍煙(blue smoke)這樣的昵稱。

Samuel Stephens Kistler在1931年發明氣凝膠。而這一切是因為他與Charles Learned之間的賭註。他們二人當時正比賽誰先將凝膠裡的液體成分用氣體取代卻不使發泡的間壁收縮崩塌。最後Kistler辦到瞭。

氣凝膠的主要特性是什麼?

氣凝膠是如此的多孔,其體積的95%都是空氣,這賦予瞭它們各種不同尋常的特性。它們是有史以來制造或發現的最輕的材料,這使得它們在航空航天應用中特別有用,因為在這些應用中,減輕重量是至關重要的。

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,被轉化成凝膠,然後除去液體。它們獨特的孔隙結構是通過保存微小顆粒在液相中結合形成的結構而形成的。訣竅是在去除液體的同時保留粒子之間的空間。這些空隙變成瞭氣凝膠中的氣孔。

盡管氣凝膠裡有個膠字,但它其實是堅硬而幹燥的物質,就其物理性質與膠體一點也不類似。之所以被稱為膠,是由於它的制造過程提取於凝膠。

氣凝膠耐壓性

提起指尖輕輕在凝膠表面按壓一下,並不會留下痕跡;如果以加重的力道按壓會造成永久的凹陷;而加上足夠的力量會讓它如玻璃般破碎散落成塊。這個便是我們所知道的易脆性。

雖然它具有破碎的傾向,但是以結構來說它仍是非常堅固的。它優秀的負載能力是源於其分子的組成:大約尺寸為2到5納米的球形聚合粒子互相結合成一個個小單元,進而組合成樹突狀的微觀立體結構。

這些小單元會形成分形鏈狀的三維結構,其間充塞著大量的孔洞,每個孔洞尺寸不大於100納米。而這些孔洞的聚集密度以及個別的平均大小能夠經由制造過程加以控制。

氣凝膠極低的熱導率

氣凝膠是優良的熱絕緣體,氣凝膠幾乎能阻絕由三種傳熱方式(熱傳導、熱對流、熱輻射)中的兩種帶來的熱量轉移。

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體,故它們是好的熱傳導隔絕材料(不過金屬凝膠在作為絕緣體的用途時就不是那麼有效)。例如矽凝膠,由於矽也為熱的不良導體,其隔絕性能又更加良好瞭。

就熱對流的方式而言,因為空氣無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,因為碳元素在標準溫度下能夠吸收熱量轉移時散發的紅外線輻射。所以,現今性質最好的氣凝膠是摻入部分碳元素的矽凝膠。

氣凝膠半透明性

因為氣凝膠絕大部分是空氣,所以,大部分氣凝膠材料具有半透明性。因為瑞利散射的影響,氣凝膠裡的微小樹突結構會過濾可見光光譜中波長較短小的部分,而這就產生瞭它輕柔的顏色:在較暗的環境散發柔柔的藍光,在明亮的環境散發微微的黃光。

氣凝膠親水性和氣凝膠疏水性

氣凝膠本身的性質是具親水性的,但是也可借由化學制程將它改變為疏水性。凝膠在逐漸吸收水汽的過程中,會經歷分子結構的變動,比如尺寸縮小,甚至完全被毀壞。借由改變凝膠對於水汽的接受度,才能改善毀壞的現象。而疏水性制程能促進膠體加工過程的便利性,便於使用水刀切割。

因為氣凝膠吸濕的自然性質,凝膠摸起來幹幹的,並表現出強大的吸水能力,為此,長時間拿著凝膠的人要穿著手套,以預防皮膚表面出現幹燥脫水的現象。

如何制作氣凝膠?

專欄:氣凝膠——未來的絕緣材料

氣凝膠借由超臨界幹燥法將凝膠裡頭的液體成分抽出。這種方法會令液體緩慢的被脫出,但不至於使凝膠裡的固體結構因為伴隨的毛細作用被擠壓破碎。世界上第一個氣凝膠體的主要成分是矽膠。

Kistler隨後又造出瞭以鋁、鉻、氧化錫為基礎物質的凝膠。第一個碳凝膠體則遲至1980年代以後才被開發。

最常見的矽氣凝膠類型是通過“Sol-Gel”工藝制成的:

  1. 將微小的固體顆粒與液體溶劑混合制成“溶膠”。
  2. 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合,從而使混合物凝固。
  3. 通過幹燥除去液體溶劑,僅留下固體氣凝膠。

氣凝膠的加工對形成其獨特的微觀結構至關重要。如果沒有半液態凝膠相所留下的超細孔,氣凝膠就不會有如此低的密度,也不會有如此優良的隔熱性能。

氣凝膠有哪些應用?

氣凝膠不是一種特殊的材料,而是一種經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矽制成的,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,包括厚磚、柔性板和薄塗層。氣凝膠可用於多種用途,並已作為絕緣材料在市場上銷售。

氣凝膠絕緣

氣凝膠的低導熱性和低密度使其成為優良的絕緣材料。此外,氣凝膠非常輕,幾乎不會增加結構的重量,這使得它們非常適合太空旅行,因為每一公斤氣凝膠都需要花錢才能升到太空。

氣凝膠也是極好的絕緣體,可用於需要靈活性的薄層結構中,如宇航服。NASA廣泛使用氣凝膠作為宇航服的主要隔熱材料,並在極端條件下保護電子設備免受損壞。

專欄:氣凝膠——未來的絕緣材料

有些氣凝膠是半透明的,這意味著它們可以用在傳統絕緣材料無法使用的地方,比如窗戶和太陽能電池板。無論它們是用於地面建築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。

這使它們成為使結構易於加熱和冷卻,同時也讓更多的自然光進入的理想材料。氣凝膠還被用作下一代太陽能集熱器的塗層,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的能力也使其成為一種有效的偽裝形式,而氣凝膠塗層已經測試證實,可作為一種躲避紅外攝像機的方法。

氣凝膠的吸附劑和過濾器

氣凝膠內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境接觸。

當氣凝膠由能吸引並粘附在某些分子或顆粒上的材料制成時,它們可用作過濾器和吸附劑,將物質捕集在孔中。

專欄:氣凝膠——未來的絕緣材料

矽膠是一種極好的幹燥劑,化學上安全,可用於食品

氣凝膠吸附劑的一個常見的“近親”是矽膠,它通常被用作從空氣中去除水分的幹燥劑。大多數人都熟悉在空調系統和其他應用中使用的保持食物和其他物品幹燥的矽膠袋。當矽膠被水飽和後,它可以通過在烤箱中加熱來“充電”,這樣可以蒸發掉毛孔表面的水分,讓它保持幹燥並再次使用。

一般來說,幹燥劑吸收的水量隨著比表面積的增加而增加。由於氣凝膠比傳統的矽凝膠有更高的比表面積,在鎖水能力上有更大的改進。

氣凝膠用途

氣凝膠的高比表面積,意味著它們可與周圍環境接觸的物質特別多。這使得氣凝膠在大量的化學和電化學過程中非常有用,可以通過溶液和固體基質之間的接觸面積最大化來改善這些過程。

這些技術包括在各種工業化學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會蒸發並穿過氣體,但會被困在氣凝膠中。NASA還使用氣凝膠對隔熱火星探測器。

20世紀80年代初期,粒子物理學傢認識到SiO2氣凝膠將是氣凝膠切連科夫計數器(Aerogel Cherenkov Counter)粒子鑒別器(見切連科夫效應)的理想介質材料,試驗需要大量的透明SiO2氣凝膠。

他們使用TMOS方法,制造瞭兩個大探測器:一個是在德國漢堡的DESY實驗室的TASSO探測器,使用瞭1700升氣凝膠;另一個是歐洲粒子物理研究所(CERN)制造的探測器,使用瞭由瑞典隆德大學制備的1000升氣凝膠。

日本高能加速器研究機構B介子工廠的Belle實驗偵測器中也使用氣凝膠切連科夫計數器。這個偵測器利用的氣凝膠介於液體與氣體之低折射系數特性以及其高透光度與固態的性質,優於傳統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。

由於氣凝膠是一種可以由多種材料制成的結構,研究人員不斷開發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,它們將推動新的技術發展,如新的超級電容器、抗菌塗層、漏油吸收墊、骨植入物等。

由於其低導熱率,低密度,高表面積和半透明性的獨特組合,氣凝膠正在發展成為各種尖端材料技術。

最後,我們來關註一下當下的熱點話題:新型冠狀病毒是否能氣溶膠傳播?

在2月9日舉行的國務院聯防聯控機制新聞發佈會上,中國疾病預防控制中心傳染病預防控制處研究員馮錄召表示,目前尚沒有證據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一步明確。”馮錄召透露,“通過流行病學調查顯示,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。”

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處,造成遠距離的傳播。目前尚沒有證據顯示新型冠狀病毒通過氣溶膠傳播。

國傢衛健委最新印發瞭《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首席專傢吳尊友表示,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措施,足以得到有效保護。“在公共場所,尤其是密閉環境中佩戴口罩,勤洗手,是最有效的防護措施。”

非常時期,對於疫情防控,我們需要高度重視,但也不必過度恐慌。堅定信心、同舟共濟、科學防治、精準施策,我們一定能打贏這場疫情防控阻擊戰。。

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