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(xué)習(xí)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(xué)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?yàn)槊芏葮O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(jié)的煙”或“藍(lán)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(shù)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(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)，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(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)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(xué)反應(yīng)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(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)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(fù)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(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面均顯示其獨(dú)特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細(xì)的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導(dǎo)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(dú)特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們興趣，而且在許多領(lǐng)域蘊(yùn)藏著廣泛的應(yīng)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(shí)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(yīng)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(jì)錄》。

　　氣凝膠的作用

　?。?）研究領(lǐng)域

　　在分形結(jié)構(gòu)研究方而。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標(biāo)度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結(jié)構(gòu)，在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)及其動力學(xué)行為的最佳材料。

　　在“863”高技術(shù)強(qiáng)激光研究方面。納米多孔材料具有重要應(yīng)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(qū)動能，利用微球形節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的新型多孔靶，能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復(fù)合機(jī)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(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細(xì)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)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(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)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(dǎo)的貢獻(xiàn)。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(dá)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(yīng)用。通過摻雜的手段，可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)教細(xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá)0.013w/m·K，是目前熱導(dǎo)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(dǎo)率僅為0.03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進(jìn)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(xué)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(yīng)用中的信噪比。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)增益。

　　在環(huán)境保護(hù)及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景。

　　在儲能器件方而。有機(jī)氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)?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(qiáng)、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳?xì)饽z的充電容量達(dá)3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反復(fù)充放電性能良好。

　　在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)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(shí)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(jī)氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨(dú)特的材料制備手段，相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)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(dǎo)材料、超細(xì)陶瓷粉末等。

　?。?）研究單位

　　2013年國際上關(guān)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(xué)、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實(shí)驗(yàn)室等。國內(nèi)主要集中在同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理實(shí)驗(yàn)室、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、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(yīng)用產(chǎn)值不可估量。另外國內(nèi)氣凝膠研究機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠家如雨后春筍，正蓬勃崛起。

　　（3）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(jié)實(shí)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(xué)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(jìn)行測試。根據(jù)試驗(yàn)室的試驗(yàn)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(zāi)難

　　環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用?？茖W(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因?yàn)槠浔砻嬗谐砂偕锨f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(xué)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(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)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(dāng)時用上這種材料的話，那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴(yán)重的污染。

　　4、網(wǎng)球拍擊球能力更強(qiáng)

　　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(qiáng);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(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運(yùn)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。