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么嗎?就是固體氣凝膠。那么固體氣凝膠是什么樣的固體，下面學習啦小編為你介紹一下吧。

　　氣凝膠簡介

　　氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，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硅氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，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(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。因為密度極低，目前最輕的硅氣凝膠僅有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”。

　　氣凝膠的制備

　　氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡結構基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結構特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡結構，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范圍內(nèi)可調(diào)。(空氣的密度為0.0129 g/cm-3)。

　　氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構成。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(nèi)形成不同結構的納米團簇，團簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學反應后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導致材料結構的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，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、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡結構的低密度氣凝膠材料。

　　氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結構的多孔材料，在力學、聲學、熱學、光學等諸方面均顯示其獨特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結構在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的納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(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨特的性質(zhì)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(tài)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

　　美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠，由于密度只有每立方厘米3毫克，日前已經(jīng)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

　?。?）研究領域

　　在分形結構研究方而。硅氣凝膠作為一種結構可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，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，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅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”高技術強激光研究方面。納米多孔材料具有重要應用價值，如利用低于臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量，節(jié)約驅動能，利用微球形節(jié)點結構的新型多孔靶，能夠實現(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復合機制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù)，利用超低密度材料吸附核燃料，可構成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的納米多孔網(wǎng)絡結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

　　在作為隔熱材料方面。硅氣凝膠纖細的納米網(wǎng)絡結構有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導率比相應的玻璃態(tài)材料低2—3個數(shù)量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達100以上，能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下?lián)教細饽z的熱導率可低達0.013w/m·K，是目前熱導率最低的固態(tài)材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻人二氧化鈦可使硅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(fā)展。

　　由于硅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范圍較大(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(fā)生器和探測器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的硅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左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。

　　在環(huán)境保護及化學工業(yè)方面。納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布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于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(jīng)過燒結工藝處理后將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)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.密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3).如在其微孔洞內(nèi)充人適當?shù)碾娊庖?，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優(yōu)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，反復充放電性能良好。

　　在材料的量子尺寸效應研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡內(nèi)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，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復合相材料的有效手段。

　　此外，硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料，使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿人多孔材料并逐步減速，實現(xiàn)“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。

　　作為一種新型納米多孔材料，除硅氣凝膠外，已研制的還有其它單元、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制備手段，相關的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應用，如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導材料、超細陶瓷粉末等。

　?。?）研究單位

　　2013年國際上關于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(nèi)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(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)的氣凝膠制品以氣凝膠絕熱氈為主，其應用產(chǎn)值不可估量。另外國內(nèi)氣凝膠研究機構與生產(chǎn)廠家如雨后春筍，正蓬勃崛起。

　?。?）其他用途

　　1、制作火星探險宇航服

　　2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么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恒溫材料。”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(jù)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，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

　　3、可處理生態(tài)災難

　　環(huán)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污染物的材料。美國科學家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當時用上這種材料的話，那么就不會導致整個海岸受到嚴重的污染。

　　4、網(wǎng)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(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)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于住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結果室內(nèi)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，他的睡袋里也有一層這種新材料。