10堂有趣的材料科学极简入门课——不可思议的胶体

本专栏是材料学科著名的入门科普读物——《迷人的材料》的精华提炼，作者将原书18万字阅读多遍并浓缩至9千字，每节介绍一种材料和它背后的故事，共10节，适合中国读者阅读习惯，可节约大量时间，帮助您快速理解材料科学概念。

果冻是固体还是液体？

这是个有趣的问题，其实果冻既不是是固体也不是液体，果冻是困在固体网络里的液体，只不过这个固体监狱网络的铁栏杆太细了，细得根本看不见。

食用胶里的网络是由长串的明胶分子组成的，其实明胶就可以理解为咱们常说的“胶原蛋白”，绝大多数的结缔组织者是由胶原蛋白组成的，比如跟腱/皮肤/软骨等。

果冻是困在固体网络里的液体

明胶分子长夜漫漫后会先分解再连成网络，把液体锁住让它无法流动；所以，果冻就像是灌了水的气球，只不过它并非靠外层的薄膜把水困住，而是从里面形成一个网络让水不能流动。

果冻里面几乎百分之百都是水

果冻里的明胶网络虽然布满了整个体积，但其实它的占比非常之少，而且到达约35摄氏度时，明胶网络就会瓦解，水就迸射而出，正所谓“入口即化”。

研究果冻还发了一篇《Nature》

<Nature>杂志是科学界最著名的期刊之一，1931年，科学家契史特勒发表了题为《共聚扩散气凝胶与果冻》，它的开篇就这样写——

果冻内液体的连续性展现在扩散/脱水及超滤，而且可由其他性质不同的液体替换，清楚表示胶体结构和内部的液体可能是互相独立的。

啥意思？

就是说，果冻内的液体其实是连成一体的，而且与网络之间相互独立。

从此以后，我们才使用“胶体”一词用来取代“果冻”来表示所有拥有类似特性的物质，比如发胶甚至凝固中的水泥，关于水泥可以见：

10堂有趣的材料科学极简入门课——人类建筑功臣 混凝土 混凝土的神奇原理——不仅不“土”，还很巧妙

能把液体分离出来么

能！

其实，最开始大家觉得不能，是因为想让液体通过蒸发的方式出来，但是蒸发过程中内部固体结构直接塌掉了，缩成了薄片，完全不是原来的形状了。

契史特勒在这里显示了他的天才，他的思路是保留胶体内的液体，然后用气体去代换，用气体的压力来支撑住固体结构。

具体说说怎么做的

首先要知道，蒸发一定会导致胶体萎缩的，所以要把胶体放到高压环境，当压力足够大时，液体就算超过沸点也不会蒸发。

这时，再把温度提高到所谓的“临界温度”之上，可以保证气体与液体的密度是相等的，也就是说，胶体内的液体会直接变成气体，而胶体结构本身“不会知道”液体已经变成气体了。

太天才了！

下面只需要让气体自己散逸，剩下的体积没有变化的部分被称为“气凝胶”。

世界上最轻的固体诞生了

可以认为气凝胶的本质就是一种发泡材料，只不过这里的“泡”是微观的。

这种方法能做出各种材料的“气凝胶”，比如二氧化硅/氧化铝/洒石酸镍/氧化锡/明胶/琼脂/三氧化钨/硝化纤维/纤维素/等等，而“二氧化硅气凝胶”就是世界上最轻的固体。

“二氧化硅气凝胶”中99.8%是空气，整体密度只有空气的三倍左右，基本上相当于没有重量。

“二氧化硅气凝胶”的颜色是个迷

谁能说清这个神奇的“二氧化硅气凝胶”到底是什么颜色的？

它在暗色前会呈现蓝色，而在浅色前面就几乎是消失不见了！

为啥是蓝色？

其实，这就跟天空为什么是蓝色完全是同一个道理，来源于一个现象叫做“瑞利散射”，就是阳光在大气层里反弹了许多许多次后，只剩下了容易散射的波长较长的蓝色光，所以当你手中拿着一块气凝胶时，感觉就如同拿着一小片天空。

惊人的隔热效果

什么材料的隔热效果最好？其实，无论什么材料，都是由热传导系数决定的，然而，气凝胶材料独特的发泡结构，使得热量需要经过网络结构，再经过空气，再经过网络结构，再空气，这样一次次的阻碍使得热量传过去太费劲了，这也正是我们常说的聚氨酯发泡隔热板的原理。

一块气凝胶下面放一个煤气灯，它上面放一朵花，几分钟后，花朵依然芬芳如故，可见隔热之强。

气凝胶在太空中大展身手

下面让我们来一起思考一个航天问题吧，假设我们现在要完成这样一个目标，要去捕捉太空中的颗粒物，也就是一些尘埃，并带回地球，怎么做呢？

有人说做一个瓶子去装，可是太空尘的速度一种为每秒5公里呢，比子弹还快，要么收集器被击破，要么尘粒被挤碎；有人说用一块大海绵吧，这样可以起到缓冲的作用，尘埃又可以很好的进入孔隙中，非常聪明已经接近了，只是海绵的缓冲作用还不足够让尘埃快速静止下来，另外呢，尘埃收集以后，还需要观察啊，难道再把海绵打开将尘埃取出么？

气凝胶最终解决了这个问题，使用气凝胶制作的像网球拍一样的收集器，最终满足了所有要求，它首先有足够多的网络结构，使得尘埃迅速静止下来，另外又是透明的，返回地球后方便科学家们观察分析。