气凝胶的诞生

1931年，Kistler在《自然》杂志上发表的《共聚扩散气凝胶与果冻》（Coherent expanded aerogels and jellies）一文是关于气凝胶的第一篇论文，被大家视作气凝胶诞生的时间。

气凝胶的诞生源于Kistler与Charles Learned的一次打赌——看谁能够将凝胶内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化。众所周知，如果直接通过蒸发将胶体中的液体与固体分离，由于毛细管力的强大作用，必然会导致固体的收缩和结构坍塌。经过不断的探索，Kistler终于用酒精超临界干燥技术完美的解决了这个世界难题。就这样，世界上第一块气凝胶——SiO₂气凝胶诞生了。

图 1 Kistler的工作照                                                               图 2 气凝胶又被称为“凝固的烟”

气凝胶的定义

气凝胶（aerogel）通常是指具有纳米量级的微细颗粒相互聚集构成纳米量级多孔网络结构，并在网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米多孔性非晶固态材料。

气凝胶不仅是一种功能材料，也是一种新的物质状态。气凝胶态相较其他的物质状态在许多性能上有着本质的差异。它如固态物质一样有着固定的大小和形状，然而它的表观密度可以从最高1g/cm³跨度到0.001g/cm³（低于空气的密度）；同时，具有像海绵一样的多孔结构，兼具微观（纳米尺度的骨架）、宏观（凝聚态物质）和介观（多级和分形结构）特征的多重属性，使得气凝胶拥有了诸多独特性能。例如极地的热导率、极低的弹性模量、极低的声子速率、极低的折射率、低的介电常数、极低的声速、高比表面积、极宽的密度和折射率分布等，很多性质都与凝聚态和气态物质迥异。

气凝胶的分类

气凝胶种类丰富，几乎涵盖了所有的材料体系。一般按化学组成，可分为有机气凝胶、无机气凝胶和复合气凝胶等。气凝胶按主要成分，也可分为硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等。

气凝胶的地位和作用

科学家表示气凝胶将改变世界。

在美国第250期《科学》杂志上，气凝胶被列为十大热门科学技术之一。2007年8月20日，英国《泰晤士报》报道，气凝胶是一种世界上最轻的固体，可以经受住1kg炸药的爆炸威力，让你远离1300℃以上喷灯的高温。科学家们正在探索将气凝胶用于超级隔热太空服、超级电容器、催化剂、下一代网球拍等各个领域。气凝胶有望和20世纪30年代的酚醛树脂、20世纪80年代的碳纤维和90年代的硅树脂等几代传奇材料相媲美。

气凝胶作为世界最轻的固体，多次入选吉尼斯世界纪录。气凝胶的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到气凝胶进行热绝缘，已经在航空航天领域发挥了至关重要的作用。

气凝胶的发展历程

气凝胶的特性

（1）超轻。气凝胶是世界上密度最小的固体，密度最小可以达到空气质量的六分之一。密度变化范围一般为0.001~1g/cm³。

（2）高孔隙率和高比表面积。孔隙率为80%~99.9%，比表面积为200~1000㎡/g，孔洞的典型尺寸为1~100nm。

（3）超级隔热。气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2~3个数量级。

（4）催化。气凝胶的小粒径、高比表面积和低密度等特点，使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂，而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中，同时它还具有优良的热稳定性，可以有效地减少副反应发生。

（5）隔音。气凝胶的低声速特性，使其成为一种理想的声学延迟或高温隔音材料。气凝胶的声阻抗可变范围较大[103  ～  107kg/(㎡·s)]，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料，用于超声波发生器和探测器的压电陶瓷的声阻是1.5×107kg/(㎡·s)，而空气的声阻只有400kg/(㎡·s)。用厚度为1/4波长、密度在0.3g/cm³左右的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料，能使声强提高30dB，提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比。

（6）过滤性能。纳米结构的气凝胶还可作为一种新型高效气体过滤材料。由于气凝胶具有特别大的比表面积，科学家们将气凝胶称为“超级海绵”，它是非常理想的吸附水中污染物的材料，能吸出水中的铅和水银，是处理生态灾难的绝好材料。

（7）光学性能。纯净的SiO₂气凝胶是透明无色的，它的折射率(1.006~1.06) 非常接近于空气的折射率，这意味着SiO₂气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光。因此，可以用来制作绝热降噪玻璃。