水火不侵還能捕獲彗星微粒，這種材料是什么來頭？

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），因為其中包含了97%的空氣和3%的固體結(jié)構(gòu)，僅有空氣密度的1.5倍。

除了很輕之外，氣凝膠還有非常好的隔熱能力，這主要是因為“努森效應(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的小孔，這些小孔能讓空氣難以擴(kuò)散通過氣凝膠來傳遞對流熱。

因此氣凝膠常出現(xiàn)在需要耐高溫的環(huán)境中，比如火星探測車上，就使用了氣凝膠來進(jìn)行保溫。

此外，氣凝膠的防水性主要來自于改性，通過將表面極性的-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，看起來好像是現(xiàn)代科技的最新產(chǎn)品，而實際上，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)其實很常見，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)時賽繆兒和同事查爾斯·勒尼德就拿果凍打個了賭，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。

為了驗證究竟誰是正確的，賽繆爾開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)的實驗，實驗的目的也很簡單，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有啥關(guān)系。

但說起容易，做起來可不容易，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)勢必也會收縮。

因為在液體分子去除后，它們會相互吸引，從而拉扯周圍的固體結(jié)構(gòu)，那么凝膠從內(nèi)部開始就會“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，因為凝膠已經(jīng)包含了固體和液體兩種物質(zhì)狀態(tài)。

不過正常的氣體肯定不能將凝膠液體替換出來，所以賽繆爾選擇曲線救國，通過加壓加熱讓液體突破臨界點，這樣液體就成為了超臨界流體（液體和氣體之間基本沒有差別），分子間也不再有相互吸引力。

賽繆爾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，一邊對凝膠減壓，隨著壓力的降低，乙醇分子作為氣體釋放出去。

賽繆爾在實驗室

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)，并且其中充滿了氣體，這就是第一塊氣凝膠的誕生。

對氣凝膠制備方法的改進(jìn)

毫無疑問，這項研究是劃時代的，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)，主要因為當(dāng)時制備的條件比較困難，耗費的時間也特別長。

直到1970年，里昂大學(xué)為了尋求一種可以在存儲氧氣和火箭燃料的多孔材料，翻出了30多年前的氣凝膠，并且在賽繆爾的基礎(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，另外時間也快上了不少，此方法直接導(dǎo)致氣凝膠科學(xué)的一項重大進(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，伯克利實驗室的微結(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。并通過溶膠——凝膠法來讓TEOS水解和縮聚。

并且，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，而不會損害氣凝膠。

這代表了安全性的重大進(jìn)步，因為二氧化碳不像醇類那樣具有爆炸危險。

氣凝膠的其他應(yīng)用

隨著對氣凝膠研究的不斷深入，粒子物理學(xué)家意識到這種納米級的材料可以用來收集難以捕捉的契倫科夫輻射粒子，因為這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)。

捕捉粒子的痕跡

除了收集粒子，由NASA噴氣推進(jìn)實驗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，無論從哪方面來看，它都非常優(yōu)秀，可為什么還沒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)過了多次改進(jìn)，最關(guān)鍵的超臨界條件還是設(shè)置了門檻。

其次，氣凝膠工業(yè)生產(chǎn)還有一個嚴(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，稍微用力一捏就能將它“一分為二”，所以一般還需要加入其他的添加劑。

還有不得不提的價格問題，大約6立方厘米的氣凝膠價格就在350人民幣左右，因此成本也是制約生產(chǎn)應(yīng)用的因素。

但這些問題都瑕不掩瑜，氣凝膠從出生到現(xiàn)在，依然像是一個超前了許多年的“未來材料”，具有非常大的潛力。