气凝胶这个世界上最轻的固体的那些事

材料牛注：有一种云朵，它能被我们捧在手心里，云朵的名字叫气凝胶。它能浮在空中，也能承受千钧重量。你可能没听过气凝胶是什么，但是相信在未来的某一天，它一定会如影随形地出现在我们的日常生活中。本文将带领你感受气凝胶的前世今生。

气凝胶（aerogels），可能是地球上最独特的物质。它的出现始于上个世纪20年代，由美国化学教授 Samuel Kistler在一次和同事Charles的打赌中制得。气凝胶虽然轻如鸿毛——吉尼斯世界纪录中现存的最轻的固体，但它却拥有着钢铁般的强度，能承受超过自身500~4000倍的重量！气凝胶不仅具有良好的延展性（如果一立方英寸的气凝胶能平铺展开，它足以覆盖一整个足球场），还拥有透气、防火、吸收油和水的优良性质。它甚至还能作为很好的导电体，而改变组分后又能作为最优良的绝缘体之一。我的天哪！居然有这么多优点！可为什么气凝胶（Aerogels）的知名度没能和它的首字母一样，位居榜首呢？

这是由于生产气凝胶需要花费大量的时间和金钱，并且每次只能生产极少量的气凝胶。尽管批量生产气凝胶会稍微降低成本，但1cm²的加工费依然高达1美元，每磅气凝胶的费用更是高达23000美元，这一价格甚至高于黄金！

这样高价的产品似乎会连同钻石珍珠一起收藏进王室名媛的珠宝盒里。不过，比起作为社会名流的饰品，气凝胶更多的是用作火箭的隔热材料或者是增厚漆。也许气凝胶不如黄金那么耀眼，但它们绝对拥有无与伦比的使用价值。

本文我们将在上个世纪20年代气凝胶首次在加州被发现开始，到1999年其被用于收集太空尘埃的几十年中，探索到底是什么造就了独一无二的气凝胶。另外，如果确实能找到办法让气凝胶对更为实惠，甚至寻常百姓也能承担，那么我们便可以展望气凝胶的未来。

气凝胶简史

关于气凝胶的传奇故事众说纷纭。但公认的是上世纪20年代，来源于Samuel Kistler教授与同事Charles Learned之间的赌局。Kistler 认为物体之所以呈凝胶状，并非由于它的液体属性而是结构所致：特指纳米微孔网络。要证明这一点其实很简单，即蒸发掉凝胶内部全部的液体，剩下类似海绵蛋糕的结构，最后让空气代替液体填满凝胶间隙。然而凝胶原有的结构并没有被破坏，这也是那次打赌的结果。经过数次实验的失败，Kistler 终于成功地用气体代替液体，创造了一种呈现凝胶结构且不含有任何液体的物质。并于1931年，首次公开他的发现。

气凝胶的制备始于醇凝胶——乙醇填充了其中孔隙，它属于硅系凝胶的一种。实验上通过超临界干燥法得到的气凝胶，这既能完全除去乙醇，还能保持凝胶的初始结构。空气占据气凝胶中50%~99%的体积，因此它才获得如此轻质灵活的特性。

气凝胶种类

硅系、碳系、金属氧化物系是目前三种最常见的气凝胶种类，其中，硅系气凝胶被广泛用于实验以及实际应用之中。当人们谈及气凝胶时，大多数情况是在讨论硅系气凝胶。硅系气凝胶外观呈现天蓝色，这是因为白光透过二氧化硅分子时发生了散射，使得硅系气凝胶呈现天空般的色彩。

和蓝烟状的硅系气凝胶不同，碳系气凝胶呈黑色，触感类似木炭，其在超级电容器、燃料电池以及海水淡化系统等领域有很高的应用价值。

金属氧化物系气凝胶由金属氧化物组成，随着金属氧化物种类的不同，气凝胶也呈现出不同的色彩。它们常被用作化学反应的催化剂，以及炸药和碳纳米管的生产，有些甚至还拥有磁性。

航空领域的应用

1999年，NASA发射了著名的“星尘”号探测器。探测器上利用260个气凝胶立方体捕获高速运动的彗星尘埃颗粒，当颗粒轰击尘埃收集装置时，在气凝胶的缓冲下慢慢停止，最后在气凝胶上成功保存了尘埃初始的状态，并留下运动轨迹，便于科学家找到宇宙微粒。

气凝胶的多项功能令其在地球上和太空中都有着重要的作用。无论是“火星探路者”探测器电气装置的隔热板，还是从高速运动的彗星上获得太空尘埃，气凝胶已在NASA赋予的使命中扮演了不可或缺的角色。

生活中的气凝胶

气凝胶最初的商业用途主要是用作增稠剂，涉及化妆品、涂料、汽油凝固剂、香烟滤嘴以及制冷剂隔热板。Monsanto是第一家将气凝胶用于商业的公司，当时气凝胶的生产过程不仅费时费钱，还具有危险性。于是在30多年后的上世纪70年代，该公司于宣布终止对气凝胶的生产。

但气凝胶的故事并没有完结，随着生产工艺的改良，气凝胶再次获得商业价值，并广泛应用于各种工业领域，连科学家也对气凝胶产品产生了好奇心。

由于气凝胶独特的结构，它可以作为一种优良的隔热装置。它的超隔热气泡结构几乎完全抵消了三类热传递方式。令人欣慰的是，即使现在气凝胶仍然很贵，但研究表明，以气凝胶为原料的隔热装置，如果用于墙构架或者类似窗户遮雨板这些难以隔热的区域，还是能够帮助住户每年省下750美金的费用。除了省钱，气凝胶隔热装置可以帮助你大大降低碳排放量。虽然现在NASA已经能够负担得起气凝胶的费用，但是各种公司还在努力降低成本，以达到普通民众也能接受的价格。目前只有一些建筑公司、电力工厂以及提纯厂将气凝胶投入使用，或许当人人能买得起气凝胶的时候，它就能成为首选材料了吧。

未来的气凝胶长什么样

虽然气凝胶很贵，研究者却始终尝试着各种方法以提高它的强度，降低成本和危险性。2002年，密西西里大学的教授Nicholas Leventis惊艳了科学界，他声称发明了一种方法制造无脆性气凝胶。这就是著名的x-aerogels，它不仅更加强韧，且能防水，抗冲击。不足之处在于x-aerogels的生产过程不够经济环保。

另外，气凝胶有助于推动绿色科技。碳系气凝胶在超级电容，高效汽车燃料电池有很大的应用潜能。事实上，碳系气凝胶的储能量能引起一波技术革新，前提就是气凝胶的成本可以满足用于大规模生产的标准。

还有一则好消息就是，即使你不是资金充裕的科学家，你也能生产气凝胶。虽然在家制作并非不可，但是最理想的场所还是实验室，因为这里的原料一应俱全，包括用于超临界干燥气凝胶的高压锅（如果对自己的动手能力足够自信，点击How is Aerogel Made?阅读，自己动手搭高压锅的方法）。

少数网站也提供了自制气凝胶的方法，比如加州大学的aerogel.org。但是，无论你在哪里制作气凝胶，切记注意安全——一定要佩戴护目镜、手套、长裤、不露脚趾的鞋以及油漆工专用面罩以保护自己免受有害气体和易燃品的伤害。

气凝胶，还有什么是你不能做的呢？希望你在未来普通民众的生活中有一席之地吧！

参考链接：How Aerogels Work

本文由编辑部尉谷雨提供素材；张轶洁编译；黄超审核