最轻的材料——气凝胶（真空填充）

这是什么东西？是烟？还是固体？

这个像烟一样的东西是世界上最轻的固体——气凝胶

什么是气凝胶？

我们先来认识一下凝胶。

一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶，这种凝胶是被水或其他液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的，这就是"气凝胶"。

气凝胶，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为3.55千克每立方米，仅为空气密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。这种物质看上去像凝固的烟，但它的成分与玻璃相似。目前，最轻的气凝胶是一种"全碳气凝胶"，密度仅有0.16mg/cm3（去除空气密度），仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上，柔软的花蕊几乎没有变形。气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点：其骨架在纳米尺度。因此，当可见光穿过时散射较小，看上去像"冻住的烟"。

关于气凝胶的传奇故事众说纷纭。但公认的是上世纪20年代, 来源于Samuel Kistler教授与同事Charles Learned之间的赌局。Kistler认为物体之所以呈凝胶状，并非由于它的液体属性而是结构所致:特指纳米微孔网络。要证明这一点其实很简单, 即蒸发掉凝胶内部全部的液体, 剩下类似海绵蛋糕的结构, 最后让空气代替液体填满凝胶间隙。然而凝胶原有的结构并没有被破坏, 这也是那次打赌的结果。经过数次实验的失败, Kistler终于成功地用气体代替液体。

气凝胶的制备

气凝胶的制备过程分为两步：制备湿凝胶、将湿凝胶通过特殊手法干燥。

湿凝胶最传统的制备方法是溶胶-凝胶法。将含高化学活性组分的化合物分散在溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单体聚合，形成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。此时制作出来的凝胶有点类似于果冻，紧接着将果冻状凝胶进一步进行干燥处理即可得到气凝胶。由于表面张力的作用，通常状态下，凝胶内液体的挥发会使得凝胶脆弱的骨架坍塌。而通过冷冻干燥技术进行干燥可以解决这一问题。将湿凝胶在低温冷冻，接着置于真空条件下干燥。由于冷冻过程已经使得凝胶内的液体转变为固体，之后在真空环境中以升华的形式脱离凝胶骨架，这样就可以避免了液体挥发造成骨架坍塌的问题，得到我们所期待的气凝胶。

"最轻材料"之争

2011年，美国科学家以镍材料做出的气凝胶，成为了当时世界上最轻的材料。在真空中，1立方厘米的这种气凝胶只有0.9毫克重，比空气还要轻。

然而，很快，在2012年，英国和德国的几位科学家研制出了全球最轻的气凝胶——"飞行石墨"。1立方厘米的"飞行石墨"只有0.18毫克重，几乎是由99.99%的空气构成的。

2013年3月，我国浙江大学的一个研究小组，利用碳纳米管和石墨烯制备出了一种超轻气凝胶，取名为"碳海绵"。它有多轻呢？在真空中，1立方厘米的碳海绵只重0.16毫克，而相同体积普通空气的重量是它的7倍左右，比同体积的氦气还要轻。

气凝胶的应用

清理石油污染

碳海绵的弹性很好，被压缩80%后还可以恢复原状。它对油具有超快、超高的吸附力，是目前吸油能力最强的材料。现在的吸油产品，一般只能吸收自身重量10倍左右的油，而碳海绵的吸油量是它自身重量的250倍，最高可达900倍，神奇的是，碳海绵只吸油不吸水。另外，它吸油的速度非常快：每克碳海绵每秒可以吸收68.8克油。

应用于建筑材料

混凝土是当前建筑行业大量使用的建筑材料，被广泛地应用到建筑主体之中。建筑结构中，有很大一部分建筑的热量被混凝土结构所带走。因此，隔热与保温对于建筑能耗的重要性不言而喻。应用气凝胶突出的效能，不但可以让整个混凝土结构的自重减轻，而且其特殊的抗压性能也是当前结构应用的重要属性。建筑行业将SiO2列入最优秀的绝缘保温材料，通过加入60%气凝胶，可以制作出导热性能出色的气凝胶混凝土。

应用于消防服隔热层

气凝胶材料具有非常良好的隔热性能，一寸厚的气凝胶相当于20-30块普通玻璃的隔热效果，熔点高达到1000℃，最高能承受1400℃的高温。将气凝胶隔热材料应用到现役消防服织物中，用气凝胶填充的隔热消防服的重量比传统消防服的重量降低70%以上，可使消防服装更为轻薄，从而减轻消防战士的负担。

航空领域的应用

1999年, NASA发射了著名的"星尘"号探测器。探测器上利用260个气凝胶立方体捕获高速运动的彗星尘埃颗粒。当"星尘号"探测器穿过彗星尘埃时，彗星尘埃的速度很快，约为6.1千米每秒，这差不多是步枪子弹初速的9倍。如果用常规方法收集这些尘埃粒子，由于过快的冲击速度，彗星尘埃的的外形和化学结构会发生变化，有的甚至会完全被汽化。为了在收集时不破坏它们，气凝胶样品采集器使用了硅基固体材料，内部有海绵那样的多孔结构，99.8％的空间被真空填充。当颗粒轰击尘埃收集装置时, 在气凝胶的缓冲下慢慢停止, 最后在气凝胶上成功保存了尘埃初始的状态, 并留下运动轨迹，便于科学家找到宇宙微粒。