“此次中国的‘天问一号’火星探测器和‘祝融号’火星车,表面采用的都是气凝胶材料,是为了对抗火星‘冰火两重天’的温度考验。”金钟介绍说,气凝胶材料分为耐高温和耐低温两种,分别阻隔探测器着陆发动机产生的高达1200℃的高温热流,保护着陆平台的正常功能;还能确保火星车在-130℃的环境正常工作。而且气凝胶极轻的质量不会增加“天问一号”的载荷,以探测器上的气凝胶材料为例,如将其做成薄片状,那么只需要10克这种材料,就可以铺满一个标准足球场。
气凝胶的发明源自一次偶然,1931年美国人基斯特勒受果冻的启发而发明。果冻的成分是水,为保证水不流出来,果冻 格内的水分子是由表面张力拉住,并且这种表面张力的大小正好在水无法挣脱又可以晃动的临界点。那如果把里面的液体抽出来,然后换成气体,会发生什么呢?美国人基斯特勒就按照这个思路,经过无数次实验最终选择硅胶作为实验对象,利用超临界干燥法,去除了硅胶中的液体成分,成功地制成了世界上第一个真正意义上的气凝胶——二氧化硅气凝胶。
随后我国在气凝胶领域也取得了一系列重要成果,有些甚至走在了世界的前列。2010年开始,国内首批气凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢及船体防火隔热保温的应用市场。2017年,我国发布了《纳米孔气凝胶复合绝热制品》国家标准;同年,气凝胶被列入国家重点节能低碳技术推荐目录。2019 ,我国气凝胶产量7.82万立方米,2019年我国气凝胶市场规模约为11.23亿元。
随着对气凝胶不断深入的研究,对其制备工艺和性质的了解也越来越多,令生产过程更加便捷,也使得这一类新材料的大规模制造和应用成为了可能。“人们最先想到的应用实在化学工业及环境保护方面,利用气凝胶极大的比表面积和孔隙率来用于催化剂载体、气体过滤,或者利用这种‘超级海绵’来吸附水中的各种无污染物(比如油污和重金属污染物汞、铅和镉等),是处理生态灾难的绝好材料。”金钟解释,由于多孔结构和良好的生物相容性,也可以作为药物输送系统,通过改变气凝胶的性质来调整药物的释放速率。
在航天探测方面,气凝胶也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都用到了这种材料。美国国家宇航局的“星尘”号飞船带着它在太空中执行一项重要的使命——收集彗星微粒。这并不是容易的事,尽管彗星尘埃的体积比沙粒还要小,但是速度却相当于步枪子弹的6倍,当它以如此高速撞击其它物质时,自身的组成都就可能发生改变甚至被完全蒸发。如今用了气凝胶就好办多了,它就像一个极其柔软的棒球手套,可以轻轻地消减彗星尘埃的速度,使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来,并留下一段尖锥状的的轨迹。由于气凝胶几乎是透明的,科学家可以按照轨迹轻松地找到这些彗星微粒。
“气凝胶最有前景的大规模应用领域是隔热、保温和节能。”金钟表示,在建筑、衣物和工业生产等场合,用气凝胶取代传统的隔热材料具有非常大的潜力。硅气凝胶纤细的纳米 络结构有效地限制了热传导,是目前热导率最低的固态材料,而且可阻止环境温度的红外热辐射,成为一种理想的透明隔热材料,在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用,可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。
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