气凝胶(Aerogel),也称作空气胶,是世界上密度仅次于全碳气凝胶Aerographite,暂名)的人造发泡物质。它的制造是将气体取代液体在凝胶中的位置而成,而如此做出的结果造就了拥有数种杰出特性的极轻物质。其中最引人注目的是它良好的隔热能力。这样的物质拥有许多俗名与昵称,如:冻结的烟雾(frozen smoke)、固态的烟雾(solid smoke)、固态的空气(solid air)、蓝烟(blue smoke)、旧金山之雾(San Fransisco fog)等,而这些都源自于他的透明性与物质中的光线散射能力。不过,这种物质的触感却像是聚苯乙烯一般。

气凝胶拥有强大的隔热功能

Samuel Stephens Kistler在1931年发明气凝胶。而这一切是因为他与Charles Learned之间的赌注,竞争看谁有办法将凝胶里的液体成分用气体取代却不使发泡的间壁收缩崩塌。最后Kistler办到了。

气凝胶借由临界干燥法将凝胶里头的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢的被脱出,但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。 世界上第一个气凝胶体的主要成分是硅胶。Kistler随后又造出了以铝、铬、氧化锡为基础物质的凝胶。第一个碳凝胶体则迟至1980年代以后才被开发。

此物质极轻。其密度大约为3mg/cm3仅仅为空气的三倍重。(由Larry Hrubesh领导的LLNL实验室首先制备出世界上密度最小的CO2气凝胶)。浙江大学的科学家们最近(2013年3月)研制出了一种超轻材料,这种被称为“全碳气凝胶”(或称为“碳海绵”)的固态材料密度仅每立方厘米0.16毫克,是迄今为止世界上最轻的材料。

8立方厘米的“碳海绵”放在仍未被压弯的花蕊上

尽管气凝胶里有个胶字,但它其实是坚硬而干燥的物质,就其物理性质与胶体一点也不类似。被称为胶是由于它的制造过程提取于凝胶。提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下并不会留下痕迹;如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷;而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。

一块重2.5公斤的砖头由一块重2克的气凝胶支撑着

虽然它具有破碎的倾向,但是以结构来说它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力是源于其分子的组成:大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元,进而组合成树突状的微观立体结构。这些小单元会形成分形链状的三维结构,其间充塞著大量的孔洞,每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。

气凝胶是优良的热绝缘体,他们几乎能阻绝由三种传热方式(热传导、热对流、热辐射)带来的热量转移。凝胶中空气的成分比例至少占99.8%以上,而空气为热的不良导体,故它们是好的热传导隔绝材料(不过金属凝胶在作为绝缘体的用途时就不是那么有效)。例如硅凝胶,由于硅也为热的不良导体,其隔绝性能又更加良好了。就热对流的方式而言,因为空气无法跨越凝胶表面行对流作用,他们也是好的热对流隔绝材料。碳凝胶是好的热辐射隔绝材料,因为碳元素在标准温度下能够吸收热量转移时散发的红外线辐射。亦即,现今性质最好的气凝胶是掺入部分碳元素的硅凝胶。

一寸厚的气凝胶相当于20至30块普通玻璃的隔热功能。

隔热实验:

因为吸湿的自然性质,凝胶摸起来乾乾的,并表现出强大的吸水能力。为此长时间拿着凝胶的人要穿着手套,以预防皮肤表面出现干燥脆化的现象。

因为瑞利散射的影响,凝胶里的微小树突结构会过滤可见光光谱中波长较短小的部份。而这就产生了它轻柔的颜色:在较暗的环境散发柔柔的蓝光,在明亮的环境散发微微的黄光。

气凝胶本身的性质是具亲水性的,但是借由化学制程可将它改变为具疏水性。凝胶在逐渐吸收水汽的过程中会经历分子结构的变动,如同尺寸缩水,甚至完全被毁坏。借由改变凝胶对于水汽的接受度才能改善毁坏的现象。即使有裂缝穿过胶体表面,那些内部被化学制程强化过的样品对水汽的抵抗作用也会好过于那些只仅仅强化分子表层的样品。而疏水性制程能促进胶体加工过程的便利性,因为这样就便于使用水刀切割了。

气凝胶的安全性取决于其制造的物质成分。若其组成成分中含有致癌物质或毒素,那胶体也会因此具有致癌性以及毒性。目前以硅为基本材质的气凝胶还未发现具有致癌或含毒的性质。不过硅气凝胶会刺激人的眼睛、皮肤、呼吸道和消化系统,并且一旦接触会造成皮肤黏膜的干涩。因此建议当持着硅凝胶时最好配备着护目镜以及手套以避免受到伤害。

随着加入到这个领域的研究人员的增加,气凝胶科学技术有了快速发展。20世纪80年代初期,粒子物理学家认识到SiO2气凝胶将是气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter)粒子鉴别器(见切连科夫效应)的理想介质材料,试验需要大量的透明SiO2气凝胶。他们使用TMOS方法,制造了两个大探测器:一个是在德国汉堡的DESY实验室的TASSO探测器,使用了1700升气凝胶;另一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器,使用了由瑞典兰德大学制备的1000升气凝胶。现在日本高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验侦测器中也使用气凝胶切连科夫计数器。这个侦测器利用的气凝胶介于液体与气体之低折射系数特性以及其高透光度与固态的性质,优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。

气凝胶在太空侦测上也有多种用途,在俄罗斯的和平号太空站和美国的火星探路者上都有用到这种材料。

听起来相似的词汇:气溶胶。但是完全不是一回事。气溶胶,又称气胶烟雾质,是指固体或和液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。一般大小在0.01-10微米之间,可分为自然和人类产生两种。气溶胶会影响气候,包括吸收辐射或散射辐射,另外,气溶胶会成为凝结核而影响云的性质等。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注