誰發明了氣凝膠？

美國化學家塞繆爾·基斯特勒（Samuel Kistler），於1931年首次發表了氣凝膠。

為什麼商業化應用花了這麼長時間？

超臨界乾燥既昂貴又緩慢，而整塊氣凝膠過於脆弱，難以操作。柔性基材複合材料與更便宜的乾燥途徑，使得工業應用在過去二十年間才變得實際可行。

[FACT NEEDED: 一句關於總安裝成本相較於傳統隔熱材料的誠實定位語句——請與銷售部門確認。]

氣凝膠被譽為世界上最輕的固體材料，由97%的空氣和3%的固體結構組成，密度僅為空氣的1.5倍。除了極輕之外，氣凝膠還具有優異的隔熱性能，這主要歸功於「克努森效應」。由於氣凝膠主要由二氧化矽和空氣組成，其中二氧化矽的導熱係數適中，而空氣的導熱係數較低。

此外，氣凝膠具有眾多奈米級的孔隙，阻礙了空氣在材料中的擴散，從而阻礙了對流熱傳遞。

由於其耐高溫特性，氣凝膠常被用於火星探測器等環境中進行隔熱。

此外，氣凝膠的防水性能是透過改質實現的，將極性的-OH基團轉化為非極性的-OR，從而形成疏水性氣凝膠。

儘管看起來像是現代科技的前沿產品，氣凝膠最早是在1930年代由化學家塞繆爾·基斯特勒開發出來的。

凝膠狀物質很常見，例如我們食用的明膠，就是固態和液態的結合。塞繆爾·基斯特勒和他的同事查爾斯·勒納德就明膠形成凝膠的原因打了個賭。查爾斯認為這是由於其液體性質，而塞繆爾則主張關鍵在於凝膠內部存在固體結構。

為了證明自己的觀點，塞繆爾進行了實驗，以證明濕凝膠中存在連續的固體網絡。目標是去除凝膠中的液體，同時保留固體結構，證明凝膠與其液體含量無關。然而，挑戰在於，僅僅讓凝膠中的液體蒸發會導致固體結構因分子間的吸引力而收縮，從而導致凝膠崩塌。

為了解決這個問題，Samuel必須替換凝膠中的液體，而唯一合適的選擇是氣體，因為凝膠本身已同時包含固態和液態。然而，普通氣體無法取代凝膠中的液體。Samuel採用了一種新穎的方法：透過加壓和加熱凝膠，他使液體超越其臨界點，轉變為超臨界流體（液態和氣態之間沒有區別），從而消除了分子間的吸引力。

Samuel選擇矽酸鈉作為原料，以鹽酸催化以促進水解。水和乙醇作為交換過程中的溶劑，將其轉化為醇凝膠。然後將醇凝膠置於高溫高壓環境中。當乙醇達到超臨界流體狀態時，凝膠被減壓。隨著壓力降低，乙醇分子以氣體形式釋放。一旦從熱源移開並冷卻，凝膠中的乙醇蒸發，留下充滿氣體的固體結構——這就是第一塊氣凝膠。

這項研究於1931年發表在《自然》期刊上。

無疑具有開創性，但由於製備條件困難且耗時，Samuel的研究停滯了30多年。直到1970年，里昂大學為了尋找一種用於儲存氧氣和火箭燃料的多孔材料，重新審視了氣凝膠，並改進了Samuel的方法。

新方法用四甲氧基矽烷（TMOS）取代矽酸鈉，用甲醛取代乙醇。這一修改產生了更高品質的二氧化矽氣凝膠醇凝膠，並顯著縮短了製備所需的時間。這一改進標誌著氣凝膠科學向前邁出了重要一步。

在這些改進之後，更多研究人員加入了氣凝膠領域。

1983年，伯克利實驗室的微結構材料組發現，高毒性化合物TMOS可以被更安全的四乙氧基矽烷（TEOS）取代。他們還發現，在超臨界乾燥之前，液態CO2可以取代凝膠中的酒精而不損壞氣凝膠。

這代表了安全性的重大進步，因為CO2不像酒精那樣具有爆炸危險。隨著氣凝膠研究的深入，物理學家認識到這種奈米級材料可以用於收集難以捕獲的切倫科夫輻射粒子，因為這些粒子難以穿過氣凝膠的複雜結構，最終被困在內部。

除了粒子收集之外，NASA噴射推進實驗室製備的二氧化矽氣凝膠被送入太空，任務是收集彗星塵埃粒子。

鑑於對氣凝膠特性及其不斷改進的製備方法的全面概述，顯而易見，氣凝膠是一種出色的材料。然而，儘管有其優點，為什麼它尚未在日常生活中廣泛應用？

首先，生產方面存在挑戰，即使製備方法已經多次改進，關鍵的超臨界條件仍然構成重大障礙。

其次，氣凝膠的工業生產面臨一項艱鉅的挑戰——氣凝膠非常脆。雖然它具有很強的承載能力，但其拉伸強度非常低，稍微受力就容易斷裂。因此，通常需要添加額外的添加劑。

氣凝膠的製造方式，關鍵在於將濕凝膠中的液體替換為氣體，同時不讓其網絡結構崩塌。過去這需要使用超臨界乾燥；如今，常壓乾燥與柔性纖維基材已將其轉變為工業用隔熱毯。