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密度比空气小,用火烧不烂的最轻固体,中国再创未来材料之王

 山高人为峰afyg 2020-11-05

人类文明的发展离不开材料的进步,人类最原始的石器时代。其实可以被称为“石木时代”。石头和木头是人类最广泛应用的材料,之后的封建时代,也可以被称为铁器青铜时代,低质量的铁器和青铜,是人们社会活动的基础。而后工业革命带领人类走入了钢铁时代,坚固的钢铁为人类塑造了繁荣的国家,那么下一个时代会是什么呢?在许多人看来,有这么一个材料或许将成为未来的材料基础,它的名字就叫做“气凝胶”。

要说世界上最轻的东西,目前来看应该就是气凝胶了。什么是气凝胶呢?简单来说它就是一种极为轻便的固体,也是世界上密度最小的固体,和同体积的空气相比,它的密度仅有空气的六分之一。是通过溶胶凝胶法,用一定的干燥方法,使用气体取代凝胶中的液相,而形成的一种纳米级多孔固态材料。具有凝胶的性质,也有着膨胀的作用,触变作用和离浆作用。整个固体看上去虽然很大,但实际上内部都是一个一个的孔隙,重量轻到将一块砖头大小的气凝胶,放在蒲公英花上面,蒲公英也不会有什么变化,因此在它也在当下成为了一种热门的新型材料。

而这个东西的发展历史也并不短,是在1931年被美国科学家研制出来后,当时用的材料是二氧化硅,性能方面和今天没法比,但依旧十分轻便。因此那个时代的科学家将它称为凝固的烟,但因为技术设备问题,一直都没有长足的发展。

而当气凝胶真正进入人们视野的时候,是在2011年以后,美国加州大学欧文分校,美国HRL实验室和加州理工学院。共同研制出一种用镍制作的气凝胶,密度只有每立方厘米0.9毫克,刷新了世界上最轻材料的记录,一时间引起了轰动。

但这个记录没有维持多久,2012年 英国和德国的科学家共同研制出了一种“石墨气凝胶”是一种以碳为主要材料的气凝胶,材料更加轻便,每立方厘米只有0.18毫克的重量,同时还具有坚固和防水,压缩和导电的性能,被媒体誉为是新一代的材料之王。

只不过这个记录依旧没有持续多久,因为中国也加入了研制气凝胶的队列之中,2013年浙江大学高分子系高超教授的课题组。就制备了一种“全碳气凝胶”的固态材料,每立方厘米为0.16毫克(抛除空气密度),是空气密度的六分之一,以相同体积来算,比氦气的密度还要低,性能也比德英发明的气凝胶更加先进。就是在现在也没有国家和机构能够打破中国这个技术的壁垒,而它对中国的作用也特别大,因为它是以石墨作为主要材料,而中国的石墨储量非常丰富,占据了全世界储量的三分之二。如果该材料都以石墨作为基础,那么未来中国,在该领域就会拥有难以想象的优势。

那么说了这么久,气凝胶到底有什么用呢?

首先它最多作用的方向,就是航天航空领域,目前在俄罗斯“和平”空间站,和美国“火星探路者”的探测器上,都使用这种材料,因为它丰富的孔隙,能够防止探测器和星际尘埃的摩擦损耗。

同时它也能够用来制作太空服,气凝胶拥有极佳的防热和抗冻特性,它能够承受1400摄氏度的高温,也能够抵抗零下180℃的低温。这两个特性,并非就只能应用于太空服,冷藏冷链和消防火灾等领域,同样能够应用到气凝胶。

同时,气凝胶还有压缩和膨胀的作用,能够压缩自身75%以上的体积,也有着隔音降噪的特性。关于这个特性,或许我们可以用来升级许多的装备,就比如枪支的消声工艺,衣裤鞋服的工业升级等等,目前就有推出气凝胶的保温毯,气凝胶玻璃和保温板,用途十分广泛。

其次,气凝胶还是目前发现最具吸油力的材料。当下的吸油产品,最多只能吸收自身质量10倍左右的液体。而全碳气凝胶却能够吸收250倍至900倍的油污,只吸油却不吸水还能够重复使用,这对于频繁发生的石油泄漏问题,是一个极为利好的消息。目前十分严重的水污染,气凝胶也有着广泛应用前景,而如果应用到民生领域,这也是极强的去污和去异味产品。

而气凝胶的应用前景是很难一一阐述的就目前能查阅到的资料,这种纳米多孔结构的材料,如今已经在航空航天、军用设备、交通运输、建筑节能、石油化工、电池储备 、船舶车辆、精密仪器、环保 、冰箱冷库、电力冶金和户外服装等领域开始应用。已经被誉为改变世界的十大新型材料之一。而我们中国不仅仅学术发展快。推广的速度也十分迅速。

在2020年9月,气凝胶产业基地已经在重庆合川产业区开始运行投产,在这个领域上我们中国,老早就实现了十分远谋的布局,未来相信也会给我们带来可观的回报。

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