世界上密度最小的固體氣凝膠

　　大家知道世界上密度最小的固體是什麼嗎?就是固體氣凝膠。那麼固體氣凝膠是什麼樣的固體，下面小編為你介紹一下吧。

　　氣凝膠簡介

　　氣凝膠是一種固體物質形態，世界上密度最小的固體。密度為3kg/立方米。一般常見的氣凝膠為矽氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年製得。氣凝膠的種類很多，有矽系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經乾燥後除去內部溶劑後，又可基本保持其形狀不變，且產物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。因為密度極低，目前最輕的矽氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。

　　氣凝膠的製備

　　氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由於他採用超臨界乾燥方法成功製備了二氧化矽氣凝膠，故將氣凝膠定義為：溼凝膠經超臨界乾燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中後期，隨著常壓乾燥技術的出現和發展，90年代中後期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論採用何種乾燥方法，只要是將溼凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網路結構基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結構特徵是擁有高通透性的圓筒形多分枝奈米多孔三位網路結構，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3範圍內可調。***空氣的密度為0.0129 g/cm-3***。

　　氣凝膠的製備通常由溶膠凝膠過程和超臨界乾燥處理構成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應條件，在溶體內形成不同結構的奈米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態骨架周圍則充滿化學反應後剩餘的液態試劑。為了防止凝膠乾燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞，採用超臨界乾燥工藝處理，把凝膠置於壓力容器中加溫升壓，使凝膠內的液體發生相變成超臨界態的流體，氣液介面消失，表面張力不復存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有奈米量級連續網路結構的低密度氣凝膠材料。

　　氣凝膠內含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00奈米範圍，孔洞率在80%以上，是一種具有奈米結構的多孔材料，在力學、聲學、熱學、光學等諸方面均顯示其獨特性質。它們明顯不同於孔洞結構在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的奈米結構使得材料的熱導率極低，具有極大的比表面積.對光、聲的散射均比傳統的多孔性材料小得多，這些獨特的性質不僅使得該材料在基礎研究中引起人們興趣，而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用前景。

　　氣凝膠的特性

　　氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料。

　　氣凝膠的應用

　　美國國家宇航局研製出的一種新型氣凝膠，由於密度只有每立方厘米3毫克，日前已經作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀錄》。

　　氣凝膠的作用

　　（1）研究領域

　　在分形結構研究方而。矽氣凝膠作為一種結構可控的奈米多孔材料，其表現密度明顯依賴於標度尺寸，在一定尺度範圍內，其密度往往具有標度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結構，在氣凝膠分形結構動力學研究方面的結構還表明，在不同尺度範圍內，有三個色散關係明顯不同的激發區域，分別對應於聲子、分形子和粒子模的激發。改變氣凝膠的製備條件，可使其關聯長度在兩個量級的範圍內變化。因此矽氣凝膠已成為研究分形結構及其動力學行為的最佳材料。

　　在“863”高技術強鐳射研究方面。奈米多孔材料具有重要應用價值，如利用低於臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發產生的X光鐳射的光束質量，節約驅動能，利用微球形節點結構的新型多孔靶，能夠實現等離於體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子複合機制 產生的x光鐳射的增益係數，利用超低密度材料吸附核燃料，可構成鐳射慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的奈米多孔網路結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，成為研製新型低密度靶的最佳候選材料。

　　在作為隔熱材料方面。矽氣凝膠纖細的奈米網路結構有效地限制了局域熱激發的傳播，其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。奈米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。矽氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅係數之比達100以上，能有效地透過太陽光，並阻止環境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建築物節能方面已經得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低矽氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0.013w/m·K，是目前熱導率最低的固態材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻人二氧化鈦可使矽氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時的熱導率僅為0.03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進一步發展。

　　由於矽氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變範圍較大***103—107 kg/m2·s***，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發生器和探測器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的矽氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料.可提高聲波的傳輸效率，降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明，密度在300 kg/m3左右的矽氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30 dB，如果採用具有密度梯度的矽氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。

　　在環境保護及化學工業方面。奈米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分佈均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由於該材料特別大的比表而積.氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

　　在儲能器件方而。有機氣凝膠經過燒結工藝處理後將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以後發展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積***600—1000 m2/kg***和高電導率***10—25 s/cm***.而目.密度變化範圍廣***0.05—1.0 g/cm3***.如在其微孔洞內充人適當的電解液，可以製成新型可充電電池，它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重複使用等優異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反覆充放電效能良好。

　　在材料的量子尺寸效應研究方面。由於矽氣凝膠的奈米網路內形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，摻雜劑是以奈米晶粒的形式存在，並觀察到很強的可見光發射，為多孔矽的量子限制效應發光提供了有力證據。利用矽氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研製新型鐳射防護鏡。通過摻雜的方法還是形成奈米複合相材料的有效手段。

　　此外，矽氣凝膠是折射率可調的材料，使用不同密度的氣凝膠介質作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質量和能量。因高速粒子很容易穿人多孔材料並逐步減速，實現“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

　　作為一種新型奈米多孔材料，除矽氣凝膠外，已研製的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠。作為一種獨特的材料製備手段，相關的工藝在其它新材料研製中得到廣泛應用，如製備氣孔率極高的多孔矽、製備高效能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導材料、超細陶瓷粉末等。

　　（2）研究單位

　　2013年國際上關於氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實驗室等。國內主要集中在同濟大學波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。國內研發、生產的氣凝膠製品以氣凝膠絕熱氈為主，其應用產值不可估量。另外國內氣凝膠研究機構與生產廠家如雨後春筍，正蓬勃崛起。

　　（3）其他用途

　　1、製作火星探險宇航服

　　2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產更結實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠製造的宇航服。該公司的資深科學家馬克·克拉傑沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那麼它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恆溫材料。”馬克如是說。

　　2、防彈不怕被炸

　　防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那麼，就算***直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

　　3、可處理生態災難

　　環保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中汙染物的材料。美國科學家新發明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒後，72000噸原油外洩，如果當時用上這種材料的話，那麼就不會導致整個海岸受到嚴重的汙染。

　　4、網球拍擊球能力更強

　　新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經成功研發了含有氣凝膠的網球拍。這種網球拍據說擊球的能力更強;2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個將氣凝膠用於住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調的溫度下降了5℃，結果室內的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋裡也有一層這種新材料。