氣凝膠——世界上最輕的固體材料(石墨烯氣凝膠是吉尼斯認(rèn)定的世界最輕固體),因?yàn)槠渲邪?7%的空氣和3%的固體結(jié)構(gòu),僅有空氣密度的1.5倍。
除了非常輕之外,氣凝膠還有非常好的隔熱能力,這主要是因?yàn)椤芭?yīng)”,由于氣凝膠大部分由二氧化硅和空氣組成,二氧化硅固體導(dǎo)熱能力一般,而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)也很低。
此外,氣凝膠具有非常多納米級(jí)的小孔,這些小孔能讓空氣難以擴(kuò)散通過(guò)氣凝膠來(lái)傳遞對(duì)流熱。
因此氣凝膠常出現(xiàn)在需要耐高溫的環(huán)境中,比如火星探測(cè)車(chē)上,就使用了氣凝膠來(lái)進(jìn)行保溫。
此外,氣凝膠的防水性主要來(lái)自于改性,通過(guò)將表面極性的-OH變成非極性的-OR,就可以得到疏水性的氣凝膠。
這樣一種“水火不侵”的材料,看起來(lái)好像是現(xiàn)代科技的最新產(chǎn)品,而實(shí)際上,氣凝膠在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了,最早由化學(xué)家塞繆爾·基斯勒制出。
第一塊氣凝膠的誕生
凝膠物質(zhì)其實(shí)很常見(jiàn),像我們吃的果凍就是凝膠物質(zhì),屬于固體和液體的結(jié)合體。
正巧當(dāng)時(shí)賽繆兒和同事查爾斯·勒尼德就拿果凍打個(gè)了賭,查爾斯認(rèn)為使果凍成為凝膠的原因是由于其液體性質(zhì),但賽繆兒認(rèn)為凝膠中具有固體結(jié)構(gòu),這也是形成凝膠的關(guān)鍵。
為了驗(yàn)證究竟誰(shuí)是正確的,賽繆兒開(kāi)始證明濕凝膠中含有相同大小和形狀的連續(xù)固體網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的目的也很簡(jiǎn)單,就是將凝膠中的液體弄出去而保留固體結(jié)構(gòu),這樣就可以證明凝膠和其中的液體沒(méi)有啥關(guān)系。
但說(shuō)起容易,做起來(lái)可不容易,如果只是單純讓凝膠中的液體蒸發(fā),相應(yīng)的固體結(jié)構(gòu)勢(shì)必也會(huì)收縮,因?yàn)樵谝后w分子去除后,它們會(huì)相互吸引,從而拉扯周?chē)墓腆w結(jié)構(gòu),那么凝膠從內(nèi)部開(kāi)始就會(huì)“坍塌”,直至縮小到原有體積的1/10。
這種方法肯定不行,賽繆兒想來(lái)想去,只有將凝膠里面的液體替換掉才能保證保證固體結(jié)構(gòu)的完整。
那么要替換的話,肯定只有使用氣體了,因?yàn)槟z已經(jīng)包含了固體和液體兩種物質(zhì)狀態(tài)。
不過(guò)正常的氣體肯定不能將凝膠液體替換出來(lái),所以賽繆兒選擇曲線救國(guó),通過(guò)加壓加熱讓液體突破臨界點(diǎn),這樣液體就成為了超臨界流體(液體和氣體之前沒(méi)有差別),分子間也不再有相互吸引力。
于是賽繆兒選取了硅酸鈉作為原料,使用鹽酸催化促進(jìn)水解,水和乙醇作為溶劑交換機(jī)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇寄z。
然后將醇凝膠放入高溫高壓的環(huán)境中,待到其中的乙醇成為了超臨界流體后,一邊繼續(xù)保持臨界溫度,一邊對(duì)凝膠減壓,隨著壓力的降低,乙醇分子作為氣體釋放出去。
接著從熱源中取出凝膠,等到冷卻后,原先在凝膠中的乙醇液體都變成氣體揮發(fā),只剩下了固體結(jié)構(gòu),并且其中充滿(mǎn)了氣體,這就是第一塊氣凝膠的誕生。
相關(guān)研究在1931年發(fā)表在《自然》雜志上。
對(duì)制備氣凝膠方法的改進(jìn)
毫無(wú)疑問(wèn),這項(xiàng)研究是劃時(shí)代的,但奇怪的是在之后的30多年中,氣凝膠的研究工作幾乎是停滯狀態(tài),主要因?yàn)楫?dāng)時(shí)制備的條件比較困難,耗費(fèi)的時(shí)間也特別長(zhǎng)。
直到1970年,里昂大學(xué)為了尋求一種可以在存儲(chǔ)氧氣和火箭燃料的多孔材料,翻出了30多年前的氣凝膠,并且在賽繆兒的基礎(chǔ)上改進(jìn)了制備方法。
新的制備方法采用了烷氧基硅烷(TMOS)代替了硅酸鈉,用甲醛代替了乙醇,這樣制出的凝膠醇凝膠可制出更高質(zhì)量的二氧化硅氣凝膠,另外時(shí)間也快上了不少,此方法直接導(dǎo)致氣凝膠科學(xué)的一項(xiàng)重大進(jìn)步。
方法改進(jìn)之后,越多越多的研究人員加入到氣凝膠領(lǐng)域。
1983年,伯克利實(shí)驗(yàn)室的微結(jié)構(gòu)材料小組發(fā)現(xiàn),劇毒的化合物TMOS可以用更安全的原硅酸四乙酯(TEOS)代替。
并通過(guò)溶膠——凝膠法來(lái)讓TEOS水解和縮聚。
此外,微結(jié)構(gòu)材料小組還發(fā)現(xiàn),在超臨界干燥之前,凝膠中的醇可以用液態(tài)二氧化碳代替,而不會(huì)損害氣凝膠。
這代表了安全性的重大進(jìn)步,因?yàn)槎趸疾幌翊碱?lèi)那樣具有爆炸危險(xiǎn)。
氣凝膠的其他應(yīng)用
隨著對(duì)氣凝膠研究的不斷深入,粒子物理學(xué)家意識(shí)到這種納米級(jí)的材料可以用來(lái)收集難以捕捉的契倫科夫輻射粒子,因?yàn)檫@些粒子闖入氣凝膠的復(fù)雜結(jié)構(gòu)后,很難從另一端穿出,從而留在氣凝膠內(nèi)。
除了收集粒子,由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制備的二氧化硅氣凝膠,還搭上了去太空的“航班”,并承擔(dān)了收集彗星微粒的任務(wù)。
說(shuō)了這么多,相信大家也了解了氣凝膠各種特性和不斷改進(jìn)的制備方法,無(wú)論從哪方面來(lái)看,它都非常優(yōu)秀,可為什么還沒(méi)有普及到大眾生活中呢?
首先還是生產(chǎn),即使制備方法經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn),最關(guān)鍵的超臨界條件還是設(shè)置了門(mén)檻。
其次,氣凝膠工業(yè)生產(chǎn)還有一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),那就是氣凝膠很脆,雖然它的承重能力很強(qiáng),可惜的是,它的張力非常小,稍微用力一掰就能將它“一分為二”,所以一般還需要加入其他的添加劑。
還有不得不提的價(jià)格問(wèn)題,大約6立方厘米的氣凝膠價(jià)格就在350人民幣左右,因此成本也是制約生產(chǎn)應(yīng)用的因素。
但這些問(wèn)題都瑕不掩瑜,氣凝膠從出生到現(xiàn)在,依然像是一個(gè)超前了許多年的未來(lái)材料,具有非常大的潛力。