但近年來(lái)，氣凝膠已商業(yè)化，并在其他各種領(lǐng)域找到了用途。氣凝膠是一種先進(jìn)材料，由于其超多孔結(jié)構(gòu)，工程師不僅可以設(shè)計(jì)用于宇航服和車輛的新型隔熱材料，還可以設(shè)計(jì)過(guò)濾器、電池、太陽(yáng)能集熱器等。

事實(shí)上，氣凝膠并不是一種材料。相反，它們是一種特殊形式的固體，可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成。盡管氣凝膠是固體，但它們含有許多微小的孔隙，以至于它們主要由空氣組成。

1、氣凝膠是由什么制成的?

氣凝膠是納米多孔材料，這意味著雖然它們是固體，但它們充滿了微小的充滿空氣的孔，稱為孔隙。這些孔隙是氣凝膠獨(dú)特性能的關(guān)鍵。雖然許多材料都是多孔結(jié)構(gòu)的，例如橡塑和陶瓷纖維等，但氣凝膠的孔隙的大小達(dá)到納米級(jí)別。

在氣凝膠中，孔隙構(gòu)成了材料的大部分，從而形成了超輕固體材料。氣凝膠中的孔隙也非常小，遠(yuǎn)小于人類的頭發(fā)，小到肉眼無(wú)法看到。因此，氣凝膠非常輕且半透明，因此有“固體云”和“冷凍煙霧”等別稱。

2、氣凝膠的主要特性是什么?

氣凝膠的多孔性很高，其體積的 95% 是空氣，這賦予了它們各種不同尋常的特性。

其中一個(gè)事實(shí)是，它們是有史以來(lái)制造或發(fā)現(xiàn)的最輕的材料，這使得它們?cè)谥亓繙p輕至關(guān)重要的航空航天應(yīng)用中特別有用。

氣凝膠的特性包括：極低的密度、極低的導(dǎo)熱率、用于催化或電化學(xué)反應(yīng)的高表面積以及半透明性。這些獨(dú)特性能的關(guān)鍵在于，氣凝膠不僅具有高度多孔性，而且孔隙也極小，小到肉眼無(wú)法看到。這意味著氣凝膠不僅受益于孔隙內(nèi)空氣的低導(dǎo)熱率，而且空氣不易流動(dòng)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了其作為隔熱體的能力。

3、如何制造氣凝膠?

盡管它的名字如此，氣凝膠并不是凝膠，它們是高度多孔的固體，主要由空氣組成。

氣凝膠最初是液體，轉(zhuǎn)變成凝膠，然后除去液體。它們獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)是通過(guò)保留時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)而形成的微小顆粒在液相中結(jié)合在一起。訣竅是去除液體，同時(shí)保留顆粒之間的空間。這些空間成為氣凝膠中的孔隙。最常見(jiàn)的氣凝膠類型是通過(guò)“溶膠-凝膠”工藝由二氧化硅制成。

在這里的“溶膠”是通過(guò)將微小的固體顆粒與液體溶劑混合制成的。然后通過(guò)添加一種催化劑將溶膠制成“凝膠”，使顆粒彼此粘合，從而使混合物凝固。隨后通過(guò)干燥除去液體溶劑，僅留下固體氣凝膠。

氣凝膠的加工對(duì)于創(chuàng)造其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。如果沒(méi)有半液態(tài)凝膠相留下的超小孔，氣凝膠就不會(huì)具有如此低的密度或如此出色的絕熱體。

4、氣凝膠有哪些應(yīng)用?

氣凝膠不是一種特定的材料，而是一種經(jīng)過(guò)加工使其具有額外多孔性的材料。最常見(jiàn)的氣凝膠是由二氧化硅(SiO2)制成的，但也有由石墨烯、氧化鐵、聚合物等制成的氣凝膠。

氣凝膠還以多種形式出現(xiàn)，包括板、卷氈、涂料、粉末等。氣凝膠可用于多種應(yīng)用，并且可在商業(yè)上用作絕緣材料。然而，研究人員一直在為這些卓越的材料開(kāi)發(fā)幾種其他技術(shù)應(yīng)用。

5、隔熱、透光

氣凝膠的低導(dǎo)熱率和低密度使其成為優(yōu)異的隔熱材料。還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，氣凝膠非常輕，幾乎不會(huì)給結(jié)構(gòu)增加任何重量。

氣凝膠也是出色的絕緣體，可用于需要柔韌性的薄層，例如宇航服。有些氣凝膠是半透明的，這意味著它們可以用于傳統(tǒng)隔熱材料無(wú)法使用的地方，例如窗戶和太陽(yáng)能電池板。無(wú)論是用于陸地建筑物的天窗還是未來(lái)太空棲息地的窗戶，氣凝膠都會(huì)傳輸光但阻擋熱量的傳遞。

這使得它們非常適合使結(jié)構(gòu)更容易加熱和冷卻，同時(shí)還能讓更多的自然光進(jìn)入。氣凝膠還被用作下一代太陽(yáng)能集熱器的涂層，氣凝膠允許光穿過(guò)，但防止熱量逸出。氣凝膠阻止熱量流動(dòng)的能力也使其可用作一種偽裝形式，并且氣凝膠涂層已被測(cè)試為一種隱藏紅外攝像機(jī)的方法。

6、吸附器和過(guò)濾器

氣凝膠內(nèi)部的微小孔隙賦予它們特別高的比表面積，這意味著大量的固體材料與其周圍環(huán)境接觸。當(dāng)氣凝膠由吸引并粘附某些分子或顆粒的材料制成時(shí)，它們可以用作過(guò)濾器和吸附劑，將物質(zhì)捕獲在孔內(nèi)。氣凝膠吸附劑的一個(gè)熟悉的“親戚”——硅膠，它通常用作干燥劑以去除空氣中的水分。

大多數(shù)人都熟悉用于在空調(diào)系統(tǒng)和其他應(yīng)用中保持食物和其他物品干燥的硅膠包。硅膠被水飽和后，可以通過(guò)在烤箱中加熱來(lái)“充電”，從而蒸發(fā)其孔隙表面的水，使其干燥并準(zhǔn)備再次使用。可吸收的水量隨比表面積的增加而增加。由于氣凝膠比傳統(tǒng)硅膠具有更高的比表面積，因此氣凝膠在捕獲水分的能力方面具有更大的改進(jìn)。

7、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

氣凝膠的高比表面積意味著它們有大量的材料與其環(huán)境接觸。這使得氣凝膠可用于大量化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程，這些過(guò)程可以通過(guò)最大化溶液和固體基質(zhì)之間的接觸面積來(lái)改進(jìn)。其中包括用作各種工業(yè)化學(xué)過(guò)程的催化劑或催化劑基材以及下一代超級(jí)電容器的電極。

由于氣凝膠是一種可以由多種材料制成的結(jié)構(gòu)，因此研究人員正在不斷開(kāi)發(fā)新的氣凝膠及其使用新方法。隨著更多的新材料轉(zhuǎn)化為氣凝膠，它們將促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展，如新型超級(jí)電容器、抗菌涂層、漏油吸收墊、骨植入物等。由于氣凝膠具有低導(dǎo)熱率、低密度、高表面積和半透明性的獨(dú)特組合，因此它正在發(fā)展成為多種尖端材料技術(shù)。