时代在科技的带领下发生了日新月异的变化,如今我们的城市都已成为名副其实的“不夜城”,交通也是实现了“日行千里”,更别提人类如今在航天领域的丰功伟绩,那些各式各样的航天飞机、探测器以及空间站,都代表着人类如今欣欣向荣的发展。
神舟十三号顺利发射
许多人看到这些蔚为壮观的事物,都会发出惊叹,会想要知道这些庞然大物、机械巨人是如何诞生的。实际上,这都多亏了科学家们研发出来的新型材料,这些新材料总能突破旧材料带来的束缚,为科学发展带来新机遇、新发展。今天,我们的“主角”就是新材料的一员,世界上最轻的固体——气凝胶。
新材料与气凝胶
社会的发展史,实际上就是一部材料的进化史。从石器时代,到青铜时代,再到黑铁时代,材料的进步让我们的生产力提升,从而让我们的社会组织形态发生转变,从上古时代的部落联盟制,演化成为统一的国家形态。而近代工业革命之后,随着蒸汽机等新动力的发现,材料也随之出现巨变,工业“粮食”之称的钢,金属界的“万金油”铝,“空间金属”的钛合金等等,都是新时代才发现的材料。
钛合金可用于制造飞机及发动机
这些新材料构是工业、航天业的“血肉”与“骨骼”,联合在一起构筑起了新时代的桥梁,当今世界没有哪一个领域的发展离得开这个新兴材料,可以说它们就是现代社会的“米粮”,是社会发展所不可或缺的部分。在这些新材料的助力之下,我们有不断的发展另外的新材料,这就形成了一个良性循环。气凝胶,就是在这样的环境中诞生的高新材料。
气凝胶
这个诞生在20世纪“尾巴”上的材料,被称为世纪上最轻的固体,是公认的“未来最具潜力的十大材料之一”,在国际上十分受重视,可以说是一种战略性的材料。那么,气凝胶到底是为什么被称为最有前途的材料?它具有哪些神奇的功能?
神奇的气凝胶
有一种材料,它看起来就像是一团蓝色的云彩,又像是一团捉摸不定的蓝色烟雾,给人一种梦幻、绮丽的美感,但是实际上这不是烟也不是云彩,而是一种固体材料,气凝胶。在讲述气凝胶之前,我们先要来认识凝胶。
凝胶
什么是凝胶,顾名思义就是凝固的胶体。而胶体,是一种介于溶液与浊液之间的混合物,胶体通常会出现“丁达尔效应”,即光线透过胶体时出现的“光路”现象。那么胶体这样的混合物是如何形成凝胶的呢?因为胶体具有介稳性,因此只要往里面加入电解质,其中的带电荷物质就会发生碰撞,增大黏性,最终失去流动性,变成外观均匀,并保持一定形态的半固体,我们爱吃的喜之郎果冻就属于凝胶。
自然中的光柱也是丁达尔现象的表现
像果冻这样的凝胶,因为是由液体形成的,也被称为液态凝胶,因此气凝胶就是由气体充满的凝胶。为什么科学家会想到用气体充满凝胶呢?事实上,这个未来最有前景的材料的“出生”来自于一场赌约。1931年,美国科学家史蒂文·吉斯特勒在吃东西时与同事打了个赌,看谁能够将果冻中的固体替换成液体,并且还维持果冻固体形态。
Q弹的果冻
为了使凝胶的形态不发生坍缩,吉斯特勒想了许多办法,最终为了不破坏凝胶的网格结构,使用酒精来替换水分,然后利用“超临界干燥法”将酒精从液态转换为气态(酒精易挥发),于是,最早的气凝胶就在这个赌约中诞生了。此后,吉斯特勒进行了多种材料的气凝胶实验,并将气凝胶推广至科学界。
水凝胶
到21世纪气凝胶已经发展壮大成为一个庞大的“家族”,其中包括金属气凝胶、氧化物气凝胶、有机碳气凝胶。其中最火的要数二氧化硅气凝胶,这种气凝胶看起来如云似雾,十分的单薄,但实际上却是有名的“胸口碎大石”杂耍人员,即使上千斤的力量往下压都不会发生任何的形变,用它来制作防弹背心或者防弹车,根本不惧炸弹的威胁,强度十分高。
制作二氧化硅气凝胶的过程
其次,二氧化硅气凝胶还具有良好的隔热性能。将一朵花放在其上上加热,花朵并不会被火焰灼烧,而只是在热气下舒展身姿,而且用手触摸气凝胶完全感受不到高温,只有淡淡的热意。最后,气凝胶还有良好的吸附性,由于其内部结构是海绵一样的网状结构,再加上凝胶本身就具有吸水性质,因此可以具有比海绵还优秀的吸附性质。
扛得住高温的气凝胶
在气凝胶实验上,我国虽然开始得较晚,但是我们的速度非常快,2013年浙江大学的教授团队就研制出了目前世界上最轻的气凝胶,全碳气凝胶。全碳气凝胶的密度是空气密度的六分之一,将它放在花朵上,花瓣都不会变形,堪称是轻如蝉翼。那么,如此神奇的气凝胶具有什么样的作用呢?
气凝胶的作用
气凝胶,由于其结构为微纳多孔网络状,因此衍生出多种功能,譬如说优异的隔热性能、抗压性能、吸附性能,因此具有广阔的应用空间。首先,因为气凝胶具有高阻隔性能、以及低热导率,因此可以作为隔热保温材料,再加上气凝胶具有无机防火、吸水性能强、柔软、绿色环保等特质,因此在未来有望取代纤维制、石棉制、以及玻璃制的保温杯、保温毯等物质,加速实现碳中和。
可以放在花瓣上的全碳气凝胶
并且由于它在具有高阻热性能时,还具有极大的抗压强度,因此是最好的航空材料,可以作为宇航服以及航天的表面涂层材料,帮助航天器度过大气层的烈火炙烤,从而提升航天器以及航天人的防火安全。
气凝胶的结构图
此外,气凝胶还具有超强的吸附性,其中全碳气凝胶能吸附比自身质量高900倍的有机溶剂,并且一秒钟一克的气凝胶颗粒能吸附68.8克的有机溶剂,用这个来吸收泄露在海上的石油,不仅环保,而且效率也十分的高。
结语
不过,虽然气凝胶在各个方面都有着光明的应用前景,不过由于其本身的易碎性以及研发成果的转化率,目前它还停留在实验室探索、研究层面上。不过路途是曲折的,但未来是光明的,只要不懈地努力,还是会有实现的一天。
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