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世界上最輕的固體——氣凝膠

2019-10-30 金屬研究所
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  咦,這是什么?好像凍住的煙。

  這不是煙,而是一種固體,確切地說是世界上最輕的固體——氣凝膠。

  氣凝膠是什么?首先我們來認識下“凝膠”。

  一定濃度的高分子溶液或溶膠,在適當條件下,粘度逐漸增大,最后失去流動性,整個體系變成一種外觀均勻,并保持一定形態的彈性半固體,這種彈性半固體稱為凝膠。

  果凍是最早被科學家們認識的一種凝膠,這種凝膠是被水或其他液體充滿后形成的。還有一些凝膠是被氣體充滿后構成的,這就是“氣凝膠”。

  1931年,美國科學家Samuel StephensKistler制備出了這種新材料,命名為“aerogel”,氣凝膠。“aero”+“gel”描繪出這種新材料的特點,即一種由氣體填充的凝膠。

  氣凝膠相比于普通多孔材料有一個重要的特點:其骨架在納米尺度。因此,當可見光穿過時散射較小,看上去像“凍住的煙”。

  氣凝膠密度極低,是世界上最輕的固體。目前,最輕的氣凝膠是一種“全碳氣凝膠”,密度僅有0.16mg/cm3(去除空氣密度),僅為空氣密度的1/6。把這種材料放在花朵上,柔軟的花蕊幾乎沒有變形。

  氣凝膠的制備過程分為兩步:制備濕凝膠、將濕凝膠通過特殊手法干燥。濕凝膠最傳統的制備方法是溶膠-凝膠法。將含高化學活性組分的化合物分散在溶劑中,經過水解反應生成活性單體,活性單體聚合,形成溶膠,進而生成具有一定空間結構的凝膠。此時制作出來的凝膠有點類似于果凍,緊接著將果凍狀凝膠進一步進行干燥處理即可得到氣凝膠。由于表面張力的作用,通常狀態下,凝膠內液體的揮發會使得凝膠脆弱的骨架坍塌。而通過冷凍干燥技術進行干燥可以解決這一問題。將濕凝膠在低溫冷凍,接著置于真空條件下干燥。由于冷凍過程已經使得凝膠內的液體轉變為固體,之后在真空環境中以升華的形式脫離凝膠骨架,這樣就可以避免了液體揮發造成骨架坍塌的問題,得到我們所期待的氣凝膠。

  “氣凝膠有什么用途?”相信每個人都會有這樣的疑問。回答也會是各式各樣,“它有著極低的熱導率,可以作為超級隔熱材料”“它可以用作電極”“它可以用于污染治理”

  總的來講,氣凝膠的性能主要由兩部分貢獻:一部分是結構,簡單地說就是由多孔性質衍生出的性能,比如優良的隔熱性能。用火焰隔著氣凝膠對一朵花進行加熱,花朵幾乎沒有任何損傷。此外,某些氣凝膠還表現出優異的吸附性能,如“碳海綿”。氣凝膠可以制作成為保溫氈,具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無機防火﹑整體疏水、綠色環保等特性,有望替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環保、保溫性能差的傳統柔性保溫材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體,而“碳海綿”的吸收量是250倍左右,最高可達900倍。同時,“碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%后仍可恢復原狀。這讓人很容易想到用它來處理海上的漏油,將它們撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收進來,因為有彈性,吸的油能夠被壓出來回收利用。有望在治理海上漏油方面發揮重要作用。

  另一部分的性能來源于構成氣凝膠骨架的成分處于納米尺度。納米尺度粒子本身具有的某些性能,以氣凝膠的形式存在時,往往會得到增強。比如鋰電池的電極材料——二氧化錳(MnO2),當它以氣凝膠的形式存在時,鋰電池的放電性能得到了大幅度提高。

  作為一種誕生于20世紀初的材料,氣凝膠本不屬于最近發現的“新材料”,然而其各方面的優良特性使其受到廣泛關注,這種材料的應用還需要去不斷研究、探索。

打印 責任編輯:侯茜
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