世界上已知最轻固体
通俗来讲,气凝胶是一种物质形态,这种形态由90%以上的空气和不足10%的固体构成。因其密度极低,所以气凝胶也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”,曾获得吉尼斯纪录“世界上最轻的固体”称号。如果做到极致,气凝胶这种固体甚至能飘在空气中;正面经受1000多摄氏度的火焰喷射,背面依然可以用手摸;将其放在花瓣上,不会把花压倒;沾上水后,又能像荷叶一样防水……这就是神奇的气凝胶。
气凝胶之所以具有这样的秉性,主要由于其特殊的纳米多孔结构。做豆腐的程序大家都熟悉,我们首先要用原料做成豆浆,然后凝固变成豆腐。如果将豆腐里面的水分挤出去就是豆干,变成豆干后体积大幅减小。气凝胶的制备类似于要将豆腐里的水分挤出去,但体积又不能缩小。只要是让凝胶中的液体被气体取代,同时凝胶的网络结构基本保留不变,得到的材料都称为气凝胶。气凝胶的种类有很多,有硅系、碳系、硫系、金属氧化系列等。
绝热材料金字塔塔尖
其实,气凝胶这种神奇材料并不是21世纪的产物,早在1931年,美国斯坦福大学的克斯提尔通过水解水玻璃便首次制备得到了气凝胶。这一创造的初衷竟然是他和同事之间的一场赌注,竞争谁有办法将凝胶中的液体成分用气体取代但不改变疏松多孔的空间网络结构。虽然初衷看似玩笑,但他们的思路是完全正确的,即便是现在,气凝胶的制备原理仍然如此。最后,克斯提尔通过超临界干燥法将凝胶中的液体成分抽出赢得了这一赌注。此后,他又成功地制备了以铝、铬或是氧化锡为基础的气凝胶。
在此后的几十年里,气凝胶仅被当作好玩的稀奇玩意儿,而且由于工艺复杂及成本太高,气凝胶在问世后并没有引起足够重视。上世纪80年代,欧洲的一些物理学家开始注意到这种新材料并开始研究。1985年,德国维尔茨堡大学物理所组织召开首届气凝胶国际研讨会。到上世纪90年代初,美国人又重新进入气凝胶的研究。
到2000年左右,由于居高不下的成本及大规模工业化生产难以取得技术突破,气凝胶始终没有作为一个产业发展起来。近几年,由于能源需求紧张、全球生态环境恶化等原因,学界和业界又开始攻关气凝胶的产业化。直到2013年左右,这个产业才算发展起来,目前比较领先的是美国和中国。
Allied市场研究公司2014年6月发布的报告称,全球气凝胶的市场价值在2013年为2.218亿美元,估计到2020年可达18.966亿美元,在预测期内(2014~2020年)的年复合增长率为36.4%。
另一份研究报告称,2010年,全球绝热材料市场估计规模为321亿美元,未来年增长率为 6.3%,到2019年可达556亿美元。其中工业和设备领域约占总份额1/3,建筑领域占总分额的2/3。
气凝胶材料占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,目前在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道的。这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来巨大的发展空间。
广东埃力生高新科技有限公司是国内第一家、世界上第二家能规模化生产气凝胶材料的企业,也是全球第二家大型工业化生产气凝胶及气凝胶符合绝热材料能力的领军企业,填补了中国自主产业生产气凝胶材料的空白,打破了中国气凝胶材料被国际垄断供应的局面。
用途何止是保温
了解了气凝胶的特性,你是否认为它非常弱不禁风?其实不然。气凝胶可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外,它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍,俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行绝缘。
气凝胶热导率极低,是目前隔热性能最好的固态材料。若将气凝胶用于热水器储水箱、管道和集热器,现有太阳能热水器的集热效率将提高一倍以上,热损失下降约30%。这样,我们就再也不用担心大冬天没热水啦!
在航天领域,使用气凝胶材料,发动机减重又隔热。NASA已确认2018年火星探险时,宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服——上能扛得了1300℃的高温,下可挡得住零下130℃的超低温。此外,气凝胶还可广泛应用于军工、石化、电力、冶金、建筑、服装等众多领域,是传统保温材料的革命性替代产品。
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家2005年偶然发现了一种制备金属气凝胶的简便方法:点燃一些过渡金属化合物,燃烧之后就能神奇地形成如海绵一样的新东西。尽管金属气凝胶不适合作为隔音、隔热设备,但它拥有极高的表面积——每克金属气凝胶的表面积可达3000平方米,而且金属气凝胶有导电性,还有很好的化学反应活性。仅这几项特性就有可能帮助我们降低能源消耗、改善环境。比如,铁和镍是很好的化学催化剂,但效率不高,把它们做成气凝胶后可以替代效率很高但价格高昂的金属铂,在下一代工业生产中充分发挥催化作用,而不必消耗大量能源。
金属气凝胶的另一个用途是储存氢气。铍是质量最轻的四种元素之一,化学性质类似镁和钙。用它做成的气凝胶又牢又轻,可以用来储存氢气。虽然其储氢能力低于合金,但它释放氢气时不像合金那样需要高温加热,因而更加安全。
环保是气凝胶的另一个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”,因为其表面有成百上千万的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。据报道,纤维气凝胶及“碳海绵”分别可吸附高达自身重量200倍、900倍左右的液体污染物,而现有的吸油产品一般只能吸收自身质量的10倍左右。美国科学家新发明的气凝胶现在居然能吸出水中的铅和水银。如果历次海上溢油事件都能用上这种材料的话,那么海洋受污染的程度必将大大降低。
此外,在交通运输、热网管道建设、石油石化等行业,气凝胶的应用也越来越广泛。电动汽车的安全隐患主要来自锂电池内电解液的燃烧甚至爆炸,如果让电池穿上气凝胶衣服,安全系数会极大提高;氧化钛气凝胶可以隔绝红外线、紫外线,分解甲醛,可用于制造可重复使用的口罩、空气净化滤芯等。
今年以来的最强冷空气在本周发威,我国中东部多地出现寒潮天气,很多城市都见到了初雪。这时的你,是不是已经把自己裹成了一头“熊”?这也难怪国外一家公司推出的一款防寒外套在前不久引起了公众关注,因为这款仅3毫米厚的防寒外套具有和40毫米厚的鸭绒外套相同的保温效果。在约零下196摄氏度的液氮测试中,这件外套内部还能保持约31.6摄氏度的温度,足以证明其有效的恒温性能。
这款外套之所以如此神奇,秘密在于它采用了全新的气凝胶材料。事实上,从航天飞机到轮船,从羽毛球拍到登山鞋,气凝胶这种被称之为“改变世界的神奇材料”离我们的生活已经越来越近。