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交汇点讯 8月30日，中国探月工程微信公众号传来好消息，“祝融号”火星车在火星表面运行100个火星日，累计行驶1000米，所有科学载荷开机探测，圆满完成既定巡视探测任务。你知道吗，在“祝融号”太阳能面板的表面，有一种比烟还轻的固体——气凝胶，它隔热性能好，为车上设备的正常运行付出了“汗马功劳”。什么是气凝胶？它厉害在哪？制造难不难？《科技周刊》记者采访到南京大学化学化工学院金钟教授为你揭秘。
“此次中国的‘天问一号’火星探测器和‘祝融号’火星车，表面采用的都是气凝胶材料，是为了对抗火星‘冰火两重天’的温度考验。”金钟介绍说，气凝胶材料分为耐高温和耐低温两种，分别阻隔探测器着陆发动机产生的高达1200℃的高温热流，保护着陆平台的正常功能；还能确保火星车在-130℃的环境正常工作。而且气凝胶极轻的质量不会增加“天问一号”的载荷，以探测器上的气凝胶材料为例，如将其做成薄片状，那么只需要10克这种材料，就可以铺满一个标准足球场。
作为世界上密度最轻的固体材料，气凝胶同时还具有透光、隔热、隔音、绝缘等优良性质，它还被叫做 “冻住的烟雾”。“ 尽管名字很特别，气凝胶其实是一种坚固、干燥的固体多孔材料，类似于一块超轻的海绵，在结构上非常有坚韧，常规的压按并不会留下痕迹或者使它破碎，具有令人印象深刻的承载能力，一片质量为2克的气凝胶即可支撑起一块2.5千克的砖头。”金钟告诉《科技周刊》记者。 气凝胶的发明源自一次偶然，1931年美国人基斯特勒受果冻的启发而发明。果冻的成分是水，为保证水不流出来，果冻网格内的水分子是由表面张力拉住，并且这种表面张力的大小正好在水无法挣脱又可以晃动的临界点。那如果把里面的液体抽出来，然后换成气体，会发生什么呢？美国人基斯特勒就按照这个思路，经过无数次实验最终选择硅胶作为实验对象，利用超临界干燥法，去除了硅胶中的液体成分，成功地制成了世界上第一个真正意义上的气凝胶——二氧化硅气凝胶。 随后我国在气凝胶领域也取得了一系列重要成果，有些甚至走在了世界的前列。2010年开始，国内首批气凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢及船体防火隔热保温的应用市场。2017年，我国发布了《纳米孔气凝胶复合绝热制品》国家标准；同年，气凝胶被列入国家重点节能低碳技术推荐目录。2019 ，我国气凝胶产量7.82万立方米，2019年我国气凝胶市场规模约为11.23亿元。 随着对气凝胶不断深入的研究，对其制备工艺和性质的了解也越来越多，令生产过程更加便捷，也使得这一类新材料的大规模制造和应用成为了可能。“人们最先想到的应用实在化学工业及环境保护方面，利用气凝胶极大的比表面积和孔隙率来用于催化剂载体、气体过滤，或者利用这种‘超级海绵’来吸附水中的各种无污染物（比如油污和重金属污染物汞、铅和镉等），是处理生态灾难的绝好材料。”金钟解释，由于多孔结构和良好的生物相容性，也可以作为药物输送系统，通过改变气凝胶的性质来调整药物的释放速率。 在航天探测方面，气凝胶也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都用到了这种材料。美国国家宇航局的“星尘”号飞船带着它在太空中执行一项重要的使命——收集彗星微粒。这并不是容易的事，尽管彗星尘埃的体积比沙粒还要小，但是速度却相当于步枪子弹的6倍，当它以如此高速撞击其它物质时，自身的组成都就可能发生改变甚至被完全蒸发。如今用了气凝胶就好办多了，它就像一个极其柔软的棒球手套，可以轻轻地消减彗星尘埃的速度，使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来，并留下一段尖锥状的的轨迹。由于气凝胶几乎是透明的，科学家可以按照轨迹轻松地找到这些彗星微粒。 “气凝胶最有前景的大规模应用领域是隔热、保温和节能。”金钟表示，在建筑、衣物和工业生产等场合，用气凝胶取代传统的隔热材料具有非常大的潜力。硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了热传导，是目前热导率最低的固态材料，而且可阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。 新华日报·交汇点记者 张宣
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