气凝胶：驱动太空探索的下一代超轻隔热材料

我们正处于探索外太空的新竞赛中，新材料处于技术进步前沿。设想太空服需求：须保护宇航员免受太空极端温度侵害，却要尽可能薄轻以助机动。

NASA开发气凝胶隔热材料用于太空探索，近年气凝胶已商业化，在多个其他领域找到用途。

气凝胶是先进材料，凭借超多孔结构，让工程师设计不仅用于太空服和飞行器的新型热绝缘，还包括过滤器、电池、太阳能集热器等。

然而，“气凝胶”非一种材料。而是固体的特殊形式，可由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳等材料制成。虽为固体，却含极多微小空隙或“孔隙”，主要成分是空气。

本文将回答：

• 什么是气凝胶？
• 如何制造气凝胶？
• 气凝胶关键性能？
• 气凝胶应用？

什么是气凝胶？

气凝胶是超多孔材料，即虽为固体，却布满微小气孔称作孔隙。这些孔隙是气凝胶独特性能关键。虽多材料多孔(如泡沫、某些陶瓷)，气凝胶是极端情况。

气凝胶中孔隙占大部分体积，形成超轻固体材料。孔隙极小，远小于人发、肉眼不可见。故气凝胶极轻半透明，有“固态云”、“冻结烟雾”昵称。

气凝胶关键性能？

气凝胶多孔致高达95%体积是空气，赋予异常性能. 其中包括最轻材料之列，对重量节省至关重要的航天应用极有用。

气凝胶性能含：

• 极低密度 (见Matmatch低密度搜索)
• 极低热导率 (见Matmatch低热导率搜索)
• 高比表面积用于催化或电化学反应
• 半透明性 (见Matmatch光透射率搜索)

这些独特性能关键在于气凝胶不仅高度多孔，且孔隙极小——肉眼不可见。这意味着气凝胶不仅受益于孔隙内空气的低热导率，且空气难以流动，进一步增强热绝缘能力。

如何制造气凝胶？

尽管名含“胶”，气凝胶非凝胶，而是高度多孔固体主要成分空气。气凝胶始于液态，转为凝胶，再移除液体。其独特孔隙结构由保液相中微粒结合形成的结构而成。(见Matmatch小颗粒尺寸搜索)

关键是移除液体同时保留微粒间空间。这些空间成为气凝胶孔隙。

最常见气凝胶由二氧化硅经“溶-胶”法制备：

1. 将微小固体颗粒与液体溶剂混合制成“溶胶”。
2. 加催化剂使颗粒相互结合固化，溶胶成“凝胶”。
3. 干燥移除液体溶剂，仅留固体气凝胶。

气凝胶加工对创造独特微观结构至关重要。无半液态凝胶相遗留的超微孔隙，气凝胶就无超低密度或优异热绝缘性。

气凝胶应用？

气凝胶非特定材料，而是经加工极度多孔的材料形式。最常见气凝胶由二氧化硅(二氧化硅)制成；也有石墨烯、氧化铁、聚合物等制成的气凝胶。

气凝胶也呈多种形式含厚砖、柔性片、薄涂层。气凝胶用于多种应用，商业上可作绝缘材料。但研究者正开发其他技术应用。

气凝胶绝缘

低热导率和低密度使气凝胶成优异绝缘材料。额外加分项：气凝胶极轻几乎不增加结构重量，完美适配太空旅行因每公斤入轨成本高昂。气凝胶绝缘性好到可用需柔性的薄层，如太空服。

部分气凝胶半透明，可用传统绝缘材料不能用的场所，如窗户和太阳能电池板。无论用于地面建筑天窗还是未来太空栖息地窗户，气凝胶透光隔热。

这使其成为让建筑更易供暖制冷同时引入更多自然光的理想选择。气凝胶也用作下一代太阳能集热器涂层，透光防热散失。

气凝胶阻热能力也使其作为伪装形式有用，气凝胶涂层测试作红外相机隐身途径。

吸附剂与过滤器

气凝胶内部微小孔隙赋予极高比表面积，即大量固体材料与周界接触。用吸附特定分子/颗粒的材料制成气凝胶，可作捕获物质于孔隙内的过滤器和吸附剂。

气凝胶吸附剂熟悉亲戚是硅胶，常作干燥剂除空气水分。多数人熟悉硅胶包用于保持食品干燥、空调系统等。硅胶饱和水后可置烘箱加热“再生”，气化孔隙表面水分使其干燥复用。

吸水量随比表面积增加。气凝胶比表面积超传统硅胶，提供更大幅度吸湿改进。

先进技术应用

气凝胶高比表面积意味与环境接触物质量大。这使气凝胶用于大量化学电化学过程，通过最大化溶液固体基底接触面改进。

含作各类工业化学过程催化剂或催化剂载体及下一代超级电容器电极。

因气凝胶是可由多种材料制成的结构类型，研究者持续开发新气凝胶和新用法。随更多新材料制成气凝胶，将实现新技术发展如新超级电容器、抗菌涂层、吸油垫、骨植入体等。

凭借低热导率、低密度、高比表面积、半透明性独特组合，气凝胶正演化为多元前沿材料技术阵列。