世界上最輕的固體，密度比空氣還要低，用手一捏就碎卻能耐高溫

James5291 2021-10-21

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時代在科技的帶領(lǐng)下發(fā)生了日新月異的變化，如今我們的城市都已成為名副其實的“不夜城”，交通也是實現(xiàn)了“日行千里”，更別提人類如今在航天領(lǐng)域的豐功偉績，那些各式各樣的航天飛機(jī)、探測器以及空間站，都代表著人類如今欣欣向榮的發(fā)展。

神舟十三號順利發(fā)射

許多人看到這些蔚為壯觀的事物，都會發(fā)出驚嘆，會想要知道這些龐然大物、機(jī)械巨人是如何誕生的。實際上，這都多虧了科學(xué)家們研發(fā)出來的新型材料，這些新材料總能突破舊材料帶來的束縛，為科學(xué)發(fā)展帶來新機(jī)遇、新發(fā)展。今天，我們的“主角”就是新材料的一員，世界上最輕的固體——氣凝膠。

新材料與氣凝膠

社會的發(fā)展史，實際上就是一部材料的進(jìn)化史。從石器時代，到青銅時代，再到黑鐵時代，材料的進(jìn)步讓我們的生產(chǎn)力提升，從而讓我們的社會組織形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從上古時代的部落聯(lián)盟制，演化成為統(tǒng)一的國家形態(tài)。而近代工業(yè)革命之后，隨著蒸汽機(jī)等新動力的發(fā)現(xiàn)，材料也隨之出現(xiàn)巨變，工業(yè)“糧食”之稱的鋼，金屬界的“萬金油”鋁，“空間金屬”的鈦合金等等，都是新時代才發(fā)現(xiàn)的材料。

鈦合金可用于制造飛機(jī)及發(fā)動機(jī)

這些新材料構(gòu)是工業(yè)、航天業(yè)的“血肉”與“骨骼”，聯(lián)合在一起構(gòu)筑起了新時代的橋梁，當(dāng)今世界沒有哪一個領(lǐng)域的發(fā)展離得開這個新興材料，可以說它們就是現(xiàn)代社會的“米糧”，是社會發(fā)展所不可或缺的部分。在這些新材料的助力之下，我們有不斷的發(fā)展另外的新材料，這就形成了一個良性循環(huán)。氣凝膠，就是在這樣的環(huán)境中誕生的高新材料。

氣凝膠

這個誕生在20世紀(jì)“尾巴”上的材料，被稱為世紀(jì)上最輕的固體，是公認(rèn)的“未來最具潛力的十大材料之一”，在國際上十分受重視，可以說是一種戰(zhàn)略性的材料。那么，氣凝膠到底是為什么被稱為最有前途的材料？它具有哪些神奇的功能？

神奇的氣凝膠

有一種材料，它看起來就像是一團(tuán)藍(lán)色的云彩，又像是一團(tuán)捉摸不定的藍(lán)色煙霧，給人一種夢幻、綺麗的美感，但是實際上這不是煙也不是云彩，而是一種固體材料，氣凝膠。在講述氣凝膠之前，我們先要來認(rèn)識凝膠。

凝膠

什么是凝膠，顧名思義就是凝固的膠體。而膠體，是一種介于溶液與濁液之間的混合物，膠體通常會出現(xiàn)“丁達(dá)爾效應(yīng)”，即光線透過膠體時出現(xiàn)的“光路”現(xiàn)象。那么膠體這樣的混合物是如何形成凝膠的呢？因為膠體具有介穩(wěn)性，因此只要往里面加入電解質(zhì)，其中的帶電荷物質(zhì)就會發(fā)生碰撞，增大黏性，最終失去流動性，變成外觀均勻，并保持一定形態(tài)的半固體，我們愛吃的喜之郎果凍就屬于凝膠。

自然中的光柱也是丁達(dá)爾現(xiàn)象的表現(xiàn)

像果凍這樣的凝膠，因為是由液體形成的，也被稱為液態(tài)凝膠，因此氣凝膠就是由氣體充滿的凝膠。為什么科學(xué)家會想到用氣體充滿凝膠呢？事實上，這個未來最有前景的材料的“出生”來自于一場賭約。1931年，美國科學(xué)家史蒂文·吉斯特勒在吃東西時與同事打了個賭，看誰能夠?qū)⒐麅鲋械墓腆w替換成液體，并且還維持果凍固體形態(tài)。

Q彈的果凍

為了使凝膠的形態(tài)不發(fā)生坍縮，吉斯特勒想了許多辦法，最終為了不破壞凝膠的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使用酒精來替換水分，然后利用“超臨界干燥法”將酒精從液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)（酒精易揮發(fā)），于是，最早的氣凝膠就在這個賭約中誕生了。此后，吉斯特勒進(jìn)行了多種材料的氣凝膠實驗，并將氣凝膠推廣至科學(xué)界。

水凝膠

到21世紀(jì)氣凝膠已經(jīng)發(fā)展壯大成為一個龐大的“家族”，其中包括金屬氣凝膠、氧化物氣凝膠、有機(jī)碳?xì)饽z。其中最火的要數(shù)二氧化硅氣凝膠，這種氣凝膠看起來如云似霧，十分的單薄，但實際上卻是有名的“胸口碎大石”雜耍人員，即使上千斤的力量往下壓都不會發(fā)生任何的形變，用它來制作防彈背心或者防彈車，根本不懼炸彈的威脅，強(qiáng)度十分高。

制作二氧化硅氣凝膠的過程

其次，二氧化硅氣凝膠還具有良好的隔熱性能。將一朵花放在其上上加熱，花朵并不會被火焰灼燒，而只是在熱氣下舒展身姿，而且用手觸摸氣凝膠完全感受不到高溫，只有淡淡的熱意。最后，氣凝膠還有良好的吸附性，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是海綿一樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再加上凝膠本身就具有吸水性質(zhì)，因此可以具有比海綿還優(yōu)秀的吸附性質(zhì)。

扛得住高溫的氣凝膠

在氣凝膠實驗上，我國雖然開始得較晚，但是我們的速度非常快，2013年浙江大學(xué)的教授團(tuán)隊就研制出了目前世界上最輕的氣凝膠，全碳?xì)饽z。全碳?xì)饽z的密度是空氣密度的六分之一，將它放在花朵上，花瓣都不會變形，堪稱是輕如蟬翼。那么，如此神奇的氣凝膠具有什么樣的作用呢？

氣凝膠的作用

氣凝膠，由于其結(jié)構(gòu)為微納多孔網(wǎng)絡(luò)狀，因此衍生出多種功能，譬如說優(yōu)異的隔熱性能、抗壓性能、吸附性能，因此具有廣闊的應(yīng)用空間。首先，因為氣凝膠具有高阻隔性能、以及低熱導(dǎo)率，因此可以作為隔熱保溫材料，再加上氣凝膠具有無機(jī)防火、吸水性能強(qiáng)、柔軟、綠色環(huán)保等特質(zhì)，因此在未來有望取代纖維制、石棉制、以及玻璃制的保溫杯、保溫毯等物質(zhì)，加速實現(xiàn)碳中和。

可以放在花瓣上的全碳?xì)饽z