氣凝膠的誕生

1931年，Kistler在《自然》雜志上發(fā)表的《共聚擴散氣凝膠與果凍》（Coherent expanded aerogels and jellies）一文是關(guān)于氣凝膠的第一篇論文，被大家視作氣凝膠誕生的時間。

氣凝膠的誕生源于Kistler與Charles Learned的一次打賭——看誰能夠?qū)⒛z內(nèi)的液體換成氣體同時不使固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。眾所周知，如果直接通過蒸發(fā)將膠體中的液體與固體分離，由于毛細管力的強大作用，必然會導(dǎo)致固體的收縮和結(jié)構(gòu)坍塌。經(jīng)過不斷的探索，Kistler終于用酒精超臨界干燥技術(shù)完美的解決了這個世界難題。就這樣，世界上第一塊氣凝膠——SiO?氣凝膠誕生了。

圖 1 Kistler的工作照                                                               圖 2 氣凝膠又被稱為“凝固的煙”

氣凝膠的定義

氣凝膠（aerogel）通常是指具有納米量級的微細顆粒相互聚集構(gòu)成納米量級多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)骨架中充滿大量氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米多孔性非晶固態(tài)材料。

氣凝膠不僅是一種功能材料，也是一種新的物質(zhì)狀態(tài)。氣凝膠態(tài)相較其他的物質(zhì)狀態(tài)在許多性能上有著本質(zhì)的差異。它如固態(tài)物質(zhì)一樣有著固定的大小和形狀，然而它的表觀密度可以從最高1g/cm³跨度到0.001g/cm³（低于空氣的密度）；同時，具有像海綿一樣的多孔結(jié)構(gòu)，兼具微觀（納米尺度的骨架）、宏觀（凝聚態(tài)物質(zhì)）和介觀（多級和分形結(jié)構(gòu)）特征的多重屬性，使得氣凝膠擁有了諸多獨特性能。例如極地的熱導(dǎo)率、極低的彈性模量、極低的聲子速率、極低的折射率、低的介電常數(shù)、極低的聲速、高比表面積、極寬的密度和折射率分布等，很多性質(zhì)都與凝聚態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)迥異。

氣凝膠的分類

氣凝膠種類豐富，幾乎涵蓋了所有的材料體系。一般按化學(xué)組成，可分為有機氣凝膠、無機氣凝膠和復(fù)合氣凝膠等。氣凝膠按主要成分，也可分為硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系等。

氣凝膠的地位和作用

科學(xué)家表示氣凝膠將改變世界。

在美國第250期《科學(xué)》雜志上，氣凝膠被列為十大熱門科學(xué)技術(shù)之一。2007年8月20日，英國《泰晤士報》報道，氣凝膠是一種世界上最輕的固體，可以經(jīng)受住1kg炸藥的爆炸威力，讓你遠離1300℃以上噴燈的高溫。科學(xué)家們正在探索將氣凝膠用于超級隔熱太空服、超級電容器、催化劑、下一代網(wǎng)球拍等各個領(lǐng)域。氣凝膠有望和20世紀30年代的酚醛樹脂、20世紀80年代的碳纖維和90年代的硅樹脂等幾代傳奇材料相媲美。

氣凝膠作為世界最輕的固體，多次入選吉尼斯世界紀錄。氣凝膠的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到氣凝膠進行熱絕緣，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

氣凝膠的發(fā)展歷程

氣凝膠的特性

（1）超輕。氣凝膠是世界上密度最小的固體，密度最小可以達到空氣質(zhì)量的六分之一。密度變化范圍一般為0.001~1g/cm³。

（2）高孔隙率和高比表面積。孔隙率為80%~99.9%，比表面積為200~1000㎡/g，孔洞的典型尺寸為1~100nm。

（3）超級隔熱。氣凝膠纖細的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2~3個數(shù)量級。

（4）催化。氣凝膠的小粒徑、高比表面積和低密度等特點，使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠遠高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以有效地減少副反應(yīng)發(fā)生。

（5）隔音。氣凝膠的低聲速特性，使其成為一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。氣凝膠的聲阻抗可變范圍較大[103  ～  107kg/(㎡·s)]，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，用于超聲波發(fā)生器和探測器的壓電陶瓷的聲阻是1.5×107kg/(㎡·s)，而空氣的聲阻只有400kg/(㎡·s)。用厚度為1/4波長、密度在0.3g/cm³左右的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料，能使聲強提高30dB，提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。

（6）過濾性能。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為一種新型高效氣體過濾材料。由于氣凝膠具有特別大的比表面積，科學(xué)家們將氣凝膠稱為“超級海綿”，它是非常理想的吸附水中污染物的材料，能吸出水中的鉛和水銀，是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料。

（7）光學(xué)性能。純凈的SiO?氣凝膠是透明無色的，它的折射率(1.006~1.06) 非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO?氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽光。因此，可以用來制作絕熱降噪玻璃。