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气凝胶:一种受现在科学约束的“未来资料”
2019-11-24 00:17:45

气凝胶——国际上最轻的固体资料(石墨烯气凝胶是吉尼斯确定的国际最轻固体),由于其间包含了97%的空气和3%的固体结构,仅有空气密度的1.5倍。


除了十分轻之外,气凝胶还有十分好的隔热才干,这首要是由于“努森效应”,由于气凝胶大部分由二氧化硅和空气组成,二氧化硅固体导热才干一般,而空气的导热系数也很低。


此外,气凝胶具有十分多纳气凝胶:一种受现在科学约束的“未来资料”米级的小孔,这些小孔能让空气难以分散经过气凝胶来传递对流热。


因而气凝胶常呈现在需求耐高温的环境中,比方火星勘探车上,就运用了气凝胶来进行保温。


此外,气凝胶的防水性首要来自于改性,经过将外表极性的-OH变成非极性的-OR,就能够得到疏水性的气凝胶。


这样一种“水火不侵”的资料,看起来好像是现代科技的最新产品,而实际上,气凝胶在20世纪30年代就呈现了,最早由化学家塞缪尔基斯勒制出。


榜首块气凝胶的诞生

凝胶物质其实很常见,像咱们吃的果冻便是凝胶物质,归于固体和液体的结合体。


正好其时赛缪儿和搭档查尔斯勒尼德就拿果冻打个了赌,查尔斯以为使果冻成为凝胶的原因是由于其液体性质,但赛缪儿以为凝胶中具有固体结构,这也是构成凝胶的要害。

为了验证终究谁是正确的,赛缪儿开端证明湿凝胶中含有相同巨细和形状的接连固体网络的试验,试验的意图也很简单,便是将凝胶中的液体弄出去而保存固体结构,这样就能够证明凝胶和其间的液体没有啥联系。

但说起简单,做起来可不简单,假如仅仅单纯让凝胶中的液体蒸腾,相应的固体结构必然也会缩短,由于在液体分子去除后,它们会彼此招引,然后拉扯周围的固体结气凝胶:一种受现在科学约束的“未来资料”构,那么凝胶从内部开端就会“崩塌”,直至缩小到原有体积的1/10。


这种办法必定不可,赛缪儿想来想去,只要将凝胶里边的液体替换掉才干确保确保固体结构的完好。

那么要替换的话,必定只要运用气体了,由于凝胶现已包含了固体和液体两种物质状况。

不过正常的气体必定不能将凝胶液体替换出来,所以赛缪儿挑选曲线救国,经过加压加热让液体打破临界点,这样液体就成为了超临界流体(液体和气体之前没有不同),分子间也不再有彼此招引力。


所以赛缪儿选取了硅酸钠作为质料,运用盐酸催化促进水解,水和乙醇作为溶剂交换机使其转变为醇凝胶。

然后将醇凝胶放入高温高压的环境中,待到其间的乙醇成为了超临界流体后,一边持续坚持临界温度,一边对凝胶减压,跟着压力的下降,乙醇分子作为气体开释出去。

接着从热源中取出凝胶,比及冷却后,原先在凝胶中的乙醇液体都变成气体蒸发,只剩下了固体结构,而且其间充满了气体,这便是榜首块气凝胶的诞生。


相关研讨在1931年宣布在《天然》杂志上。

对制备气凝胶办法的改善

毫无疑问,这项研讨是划时代的,但奇怪的是在之后的30多年中,气凝胶的研讨工作几乎是阻滞状况,首要由于其时制备的条件比较困难,消耗的时刻也特别长。

直到1970年,里昂大学为了寻求一种能够在存储氧气和火箭燃料的多孔资料,翻出了30多年前的气凝胶,而且在赛缪儿的基础上改善了制备办法。

新的制备办法采用了烷氧基硅烷(TMOS)替代了硅酸钠,用甲醛替代了乙醇,这样制出的凝胶醇凝胶可制出更高质量的二氧化硅气凝胶,别的时刻也快上了不少,此办法直接导致气凝胶科学的一项严重前进。


办法改善之后,越多越多的研讨人员参加到气凝胶范畴。

1983年,伯克利试验室的微结构资料小组发现,剧毒的化合物TMOS能够用更安全的原硅酸四乙酯(TEOS)替代。

并经过溶胶——凝胶法来让TEOS水解和缩聚。

此外,微结构资料小组还发现,在超临界枯燥之前,凝胶中的醇能够用液态二氧化碳替代,而不会危害气凝胶。

液态二氧化碳


这代表了安全性的严重前进,由于二氧化碳不像醇类那样具有爆破风险沈曼。

气凝胶的其他使用

跟着对气凝胶研讨的不断深入,粒子物理学家意识到这种纳米级的资料能够用来搜集难以捕捉的契伦科夫辐射粒子,由于这些粒子闯入气凝胶的杂乱结构后,很难从另一端穿出,然后留在气凝胶内。


除了搜集粒子,由NASA喷气推动试验室制备的二氧化硅气凝胶,还搭上了去太空的“航班”,并承当了搜集彗星微粒气凝胶:一种受现在科学约束的“未来资料”的使命。


说了这么多,信任我们也了解了气凝胶各种特性和不断改善的制备办法,不管从哪方面来看,它都十分优异,可为什么还没有遍及到群众日子中呢?

首要仍是出产,即便制备办法经过了屡次改善,最要害的超临界条件仍是设置了门槛。

其次,气凝胶工业出产还有一个严峻的应战,那气凝胶:一种受现在科学约束的“未来资料”便是气凝胶很脆,尽管它的承重才干很强,惋惜的是,它的张力十分小,略微用力一掰就能将它“一分为二”,所以一般还需求参加其他的添加剂。


还有不得不提的价格问题,大约6立方厘米的气凝胶价格就在350人民币左右,因而本钱也是限制出产使用的要素。

但这些问题都瑕不掩瑜,气凝胶从出世到现在,仍然像是一个超前了许多年的未来资料,具有十分大的潜力。