很可能改变世界的"冻烟"

　　

　　最近很多网站和报纸都在转载一个材料领域的科技进展，如TIMESONLINE就用了这么一个标题：科学家欢呼，‘冻烟’将改变世界。这个‘冻烟’是个什么材料？它有什么神奇之处？对我们生活究竟将有什么影响？我这里把我收集的有关报道和科学报告稍加整理一下，希望大家能深入了解这种新型的材料。

　　　　　　　　　　　　　二氧化硅气凝胶

　　据称，冻烟的密度为每立方厘米3毫克，相当于玻璃的千分之一。它看上去呈云雾状，淡蓝色，所以又称“固态烟”或者“冻结的烟雾”——“冻烟”二字即由此压缩而来。“冻烟”有两大特点：一个轻，一个固态。它看上去脆弱轻薄，可其实非常坚固耐用。它能承受烈性炸药的爆炸冲击波，还能隔绝1300℃的高温。

　　‘冻烟’（frozen smoke）是个很形象的比喻，它反映呢这种材料两个特点，一个是轻，另一个是固态。‘冻烟’的科学学名是气凝胶（aerogel），气凝胶是液态凝胶的一种变脸。

　　我们生活中常见的是液态凝胶，如果冻就是典型的液态凝胶。还有家里如果喜欢做鱼汤的话，待鱼汤冷下来也成为凝胶态。但是牙膏可不算凝胶，而是一种固溶胶。那么该如何定义凝胶呢？严谨的定义为连续的固相或有机聚合物填充在连续的液相之中。由于是连续的固相，所以凝胶一般具有一定的弹性，但是用力不能太大，否则凝胶就会破坏。牙膏中的填充物由于不连续，所以不具有凝胶性质。

　　了解了凝胶的定义以后，那么气凝胶就很好理解了。所谓气凝胶就是连续的固相填充在连续的气态之中。气体一般指空气。说到这里大家应该可以很好的判断哪些形态是否是凝胶了。吸烟产生的烟是由微小的固体粉末和空气组成，但是固体粉末不连续，是分散态的，所以不是凝胶，而是气溶胶。

　　定义就在这里，如果还不好理解，那么再想想蓬松的面包，面包里面由很多小气孔，这样看来面包可以描叙为连续的面包薄壁填充在连续的空气之中。定义不错，但是我们知道面包和果冻的感觉不太一样，不应该叫做气凝胶。问题在哪儿呢？原来前面的定义中少了一个条件限制，固体或有机聚合物占的体积百分比需少于10 vol%。幸好面包没有做成气凝胶，否则咬下去牙会有踩空的感觉。

　　　　　　　　气凝胶超强的绝热性能。火柴居然没有燃！


　　终于要谈到‘冻烟’了，“冻烟”这个称呼属于比喻性命名。在花卉里，有一种花叫大花马齿苋。它的别名儿众多，如半支莲、龙须、草杜鹃、金丝杜鹃等，可它最大众化的别名儿是“死不了”——这三个简简单单的汉字，简捷地提示出其旺盛的生命力……“死不了”也属比喻性命名，正如民间将“痒痒挠”说成“不求人”一样。比喻用好了，形象生动外，那语文也格外有精气神儿。

　　原来这是由连续的二氧化硅固态材料所形成。由于二氧化硅的填充体积只有1％或更低，使得这种材料的体积密度接近于空气，科学数据为1.9 mg/cm3，这个是2003年的吉尼斯世界记录－－世界上最轻的固体材料。而美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室最新的报告得到体积密度为1mg/cm3的气溶胶，要知道空气的密度也只是1.2 mg/cm3。比空气还要轻的材料？真是成了名副其实‘冻烟’了。

　　我对这个密度只有1mg/cm3的气凝胶比较感兴趣。显然骨架材料不再是二氧化硅，而是轻元素材料，如B, N, C等。空气的摩尔质量为29 g/mol，而BN为24 g/mol，C为12 g/mol。你要比空气还轻的话必须由这些轻元素材料组成。同事对这个‘万事于我如浮云’的材料很是担心，这个空气体积比占到99％以上的材料飘来飘去，会不会影响环境啊？

　　提到环境，气凝胶还真有发挥优势的地方，那就是固体氧化硅的超级比表面积，居然达到1600 m2/g。没概念？我们看看足球场有多大，标准11人足球场的尺寸是68米×105米,面积为7140平方米。算过来也就是4.5克的气凝胶就可以铺满整个足球场，哦，错了，考虑到只有一面能接触到足球场，那么需要9克气凝胶。

　　反过来来看，气溶胶由于拥有99％以上体积的空气，是一种极佳的绝热材料，热导率达到0.03-0.004 W.m/m2.K。空气的热导率为0.02 W.m/m2.K左右。为什么有的气溶胶比空气还要低一个数量级呢？那是因为热辐射这种热传输方式由于气溶胶内部壁的散射作用而被大大抑止了。难怪宇航服上涂上18毫米厚的气溶胶后便可以让宇航员在－130摄氏度下的太空中旅行。有的商家也看到这个绝热优点，开发了一种鞋垫，可是顾客反馈过来说：脚底热的受不了啦！你说这材料绝热能力强不强。有人说绝热的话用在保温瓶上不错啊，当然，但是这个保温瓶大概要几千美金一个。因为制备这种气凝胶还不是很作坊化，仅适合航空事业和实验室中进行。不过军工和航空航天上的应用终究要用之于民，已经有美国的公司开始大量研制开发这种新材料。

　　　　　　　　　　　　　　气凝胶轻盈透明。


　　有很多人已经很关心气溶胶如何形成的了。这里面倒有一个传说：加利福尼亚州斯多克通的太平洋学院里有位叫Steven Kistler的教授接受了一个打赌，那就是把果子冻中的水分弄出来而同时不让体积收缩。Steven Kistler最终发现了了一个办法，就是先用甲醇交换果冻中的水，然后选择一定的温度和压力，也就是在甲醇的临界温度范围，使得甲醇成为气体跑出来，最终果冻本身的体积形状都没有变化。这个实验后来发表在1931年的一期 Nature上，看来打赌也能出 Nature哦。

　　为什么不直接烘掉水分呢？那是因为液体的表面张力非常大，必然会引起骨架的崩溃。而在超临界状态下，液体与固体间的界面张力非常小，这样让Steven Kistler教授赢得这个打赌。Steven Kistler教授的这个方法一直沿用至今，由于超临界流体需要苛刻的实验条件，所以多少年来，大家只是对这个打赌津津乐道，而这个结构材料本身并没有长足的进展。就现在的二氧化硅气凝胶来说，也是先通过丙酮的置换，然后在二氧化碳超临界流体中将丙酮去掉而得到。

　　不过材料学家总能想出其他好的办法，其中之一便是改变液体与骨架材料的比表面张力，比如说把清水的氧化硅骨架化学处理变成憎水性，那么液体就能轻而易举的抖掉。还有的加入表面活性剂，也能起到支撑骨架的作用。这样来看，其实气凝胶并不是一个难以实现的结构材料，我也听说二氧化碳超临界流体技术现在也已经很成熟。关键是缺乏推动力，也就是市场想象力。让我们来看看已经出现的各种新型应用吧。

　　　　　　　　NASA的彗星灰尘俘获器，装置了气凝胶。


　　美国NASA用这种气凝胶作为彗星颗粒扑获器。去年Science上联发了两篇文章，其中之一就是讨论来自于Comet Wild 2彗星的颗粒到底是来自于近邻的星球还是内太阳系。通过同位素分析得到了后一个观点正确。这个结论大概对于宇宙或者星系的形成演变有很强的价值。气凝胶在这里起到的作用是作为一个网兜子。在以6000米每秒高速行进的Stardust飞船上能够安全地保留这些天外灰尘。

　　气凝胶具有巨大地比表面积，科学家已经发现这个性质能够清除水中地铅和汞等有害物质。另外对于海上泄漏地石油也有潜在地清理功能。就想一个超强的家庭泡沫刷。

　　气凝胶不仅可以隔热还可以隔音，想想一块透明的轻薄的窗户就能让你置身于喧嚣的都市以外，大隐隐于市，凡人也能做到。

　　今年年初，66岁的鲍博·斯托克成为第一个用气凝胶建房子的英国人：“保温加热的效果非常好，我将室内的温度下调了5℃，结果室内的温度仍然非常舒适。”


　　用碳制成的气凝胶能用在超级电容器上，电力存储能力显然和比表面积成正比。劳伦斯利弗莫尔国家实验室将铝粉加入氧化铁的气凝胶中，可以作为火箭推动装置。纳米级的贵重金属催化颗粒复合到气凝胶中将极大地促进催化效能，在异相催化中具有巨大的优势。比如说装载纳米铂的气凝胶可以用来制备氢气。

　　气凝胶能够承载本身总量千倍以上的重物，当然要轻拿轻放，因为气凝胶的脆性是一个前沿课题。

　　气凝胶能够分散冲击力，在军事中可作为防弹装置。

　　美国宇航局正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，就算炸药直接炸中，对金属片也分毫无损。

　　气凝胶可以绝热。

　　气凝胶的介电常数接近1，而击穿电压在非常高。作为一个绝缘材料在微电子领域有很强的应用前景。比如在高容量存储器中两个晶体管将要靠的很近，但是又需要避免击穿而短路，那么气凝胶便可担当此任务。


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　　气凝胶从材料观点来看只是一个结构材料，但是有巨大的空间可供科学和技术去探索。二氧化硅材料的功能性不是很全面，但是可以尝试将各种不同的功能性材料转变为气凝胶材料。近几年已经有工作逐步出现（Science, 284, 622-624,1999；Science, 307, 397-400, 2005），二十一世纪这种材料将成为一个新的研究亮点。