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广州安可科技气凝胶制造工厂横幅

气凝胶：它的诞生历程

气凝胶：简介与特性

气凝胶被誉为世界上最轻的固体材料，由97%的空气和3%的固体结构组成，密度仅为空气的1.5倍。除了极其轻便之外，气凝胶还拥有出色的隔热性能，这主要归功于“克努森效应”。由于气凝胶主要由二氧化硅和空气构成，其中二氧化硅的导热性适中，而空气的导热性较低。.

世界上最轻的固体材料
无数纳米级孔隙

此外，气凝胶具有大量纳米级孔隙，这些孔隙阻碍了空气在材料中的扩散，从而抑制了对流传热。.

火星车

由于耐高温的特性，气凝胶常被用于火星车等环境中进行隔热。.

另外，气凝胶的防水性能是通过改性实现的，将极性的-OH基团转化为非极性的-OR基团，从而形成疏水性气凝胶。.

疏水气凝胶
塞缪尔·基斯特勒，气凝胶的发明者

尽管气凝胶看似是现代科技的前沿产物，但它最早是在20世纪30年代由化学家塞缪尔·基斯特勒开发的。.

第一块气凝胶的诞生

凝胶状物质很常见，例如我们食用的明胶，它是固态和液态的结合体。塞缪尔·基斯特勒和他的同事查尔斯·勒尼德就明胶形成凝胶的原因打了一个赌。查尔斯认为这归因于其液态特性，而塞缪尔则认为关键在于凝胶内部存在固体结构。.

为了证明自己的观点，塞缪尔进行了实验，以证明湿凝胶中存在连续的固体网络。其目标是去除凝胶中的液体，同时保留固体结构，从而证明凝胶与其所含液体无关。然而，挑战在于，如果简单地让凝胶中的液体蒸发，由于分子间的吸引力，固体结构会收缩，导致凝胶坍塌。.

塞缪尔·基斯特勒

为了克服这一难题，塞缪尔必须替换凝胶中的液体，而唯一合适的选择是气体，因为凝胶已经同时包含了固态和液态。然而，普通气体无法替换凝胶中的液体。塞缪尔采用了一种新颖的方法：通过对凝胶加压和加热，使液体超越其临界点，转变为超临界流体（液体与气体之间不再有区别），从而消除了分子间的吸引力。.

塞缪尔选择硅酸钠作为原料，以盐酸为催化剂促进水解。水和乙醇作为交换过程中的溶剂，将其转化为醇凝胶。随后，将醇凝胶置于高温高压环境中。当乙醇达到超临界流体状态时，对凝胶进行减压。随着压力降低，乙醇分子以气体形式释放。一旦移开热源并冷却，凝胶中的乙醇蒸发，留下充满气体的固体结构——这便是第一块气凝胶。.

这项研究于1931年发表在《自然》杂志上。.

气凝胶制备方法的改进

二氧化硅气凝胶

毫无疑问，塞缪尔的研究具有开创性，但由于制备条件苛刻且耗时，其研究停滞了30多年。直到1970年，里昂大学为了寻找一种能储存氧气和火箭燃料的多孔材料，重新审视了气凝胶，并对塞缪尔的方法进行了改进。.

新方法用四甲氧基硅烷（TMOS）替代硅酸钠，用甲醛替代乙醇。这一改动生产出质量更高的二氧化硅气凝胶醇凝胶，并显著缩短了制备所需的时间。这一改进标志着气凝胶科学迈出了重要一步。.

在这些改进之后，更多研究者加入了气凝胶领域。.

1983年，伯克利实验室的微结构材料小组发现，高毒性的TMOS化合物可以被更安全的四乙氧基硅烷（TEOS）所替代。他们还发现，在超临界干燥之前，液态CO2可以在不损伤气凝胶的情况下替换凝胶中的醇。.

这代表了安全方面的重大进步，因为CO2不具备醇类的爆炸危险。随着对气凝胶研究的深入，物理学家认识到这种纳米级材料可用于收集难以捕获的切伦科夫辐射粒子，因为这些粒子难以穿过气凝胶的复杂结构，最终被困在其中。.

除了收集粒子外，由美国国家航空航天局喷气推进实验室制备的二氧化硅气凝胶被送入太空，负责收集彗星尘埃粒子。.

液态二氧化碳

鉴于对气凝胶特性及其不断改进的制备方法的全面概述，显而易见，气凝胶是一种卓越的材料。然而，尽管其优点众多，为何它尚未在日常生活中得到广泛应用？

首先，生产过程中存在挑战，尽管制备方法已多次改进，但关键的超临界条件仍然构成重大障碍。.

其次，气凝胶的工业生产面临一个严峻挑战——气凝胶非常脆。虽然其承载能力强，但抗拉强度很低，稍加外力便容易断裂。因此，通常需要添加额外的添加剂。.

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气凝胶是如何制成的？

气凝胶的制造方法归结为在不破坏网络结构的情况下，将湿凝胶中的液体替换为气体。历史上这采用超临界干燥；如今，常压干燥和柔性纤维基材使其转变为工业保温毯。.