神奇的材料气凝胶丨科学史

　　气凝胶是一种神奇的材料！它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将花蕊压弯。之所以如此轻是因为气凝胶的内部包含了许许多多细小的孔，这些孔的尺寸在纳米或微米尺度，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上。所以气凝胶是世界上已知的密度最低的人造固体材料，有＂固态烟雾＂（solid smoke） 之称。
　　1931年，Kistler制备出世界上第一块气凝胶。他用超临界技术干燥凝胶（类似果冻，由固体形成的网络骨架及网络中包含的液体组成），将凝胶中的液体用空气取代，同时保持凝胶中固体网络结构不塌缩，即得到气凝胶。相反，如果直接干燥凝胶，网络中液体挥发带来的毛细力通常会使网络收缩，得到致密而非多孔的材料。这种独特的多孔疏松结构赋予了气凝胶极低的密度，以及极低的热导率和大比表面积等特点。由于这些出色的特性，气凝胶被期许为＂改变世界的神奇材料＂， 被用作隔热材料、隔音材料、光学材料、催化剂载体等，在化学、光学、电学以及航空航天、生命科学等领域具有重要的应用前景。
　　早期，气凝胶的网络骨架主要是纳米尺度的二氧化硅等无机材料构筑，气凝胶的高孔隙率使得这种骨架非常脆，在实际应用环境中的耐用性较差；所用的超临界干燥技术步骤繁琐，成本较高，制品尺寸有限。因此，通过经济便捷的方法，制备力学性能优异的气凝胶是研究人员不懈追求的目标。
　　在二氧化硅气凝胶中引入有机组分是改善传统无机气凝胶脆性的一种有效途径，所制备的有机无机杂化气凝胶因有机组分的介入可以获得良好的柔韧性。一个代表性工作是中科院化学所赵宁、徐坚研究员通过分子设计制备的含有硫醚链段的有机-无机杂化分子，这种分子的两端是三烷氧基硅，经水解缩合后生成类似二氧化硅凝胶的骨架，而中间柔顺的硫醚链段则可赋予凝胶骨架弹性。这种凝胶可直接在室温下真空干燥得到气凝胶，极大地简化了制备过程。得到的气凝胶不但完整保留了湿凝胶的初始尺寸，而且密度低、导热系数低、比表面积高，具备传统方法制备气凝胶的优良特性。
　　研究表明，真空下溶剂挥发过程中，柔性的硫醚链段使得凝胶骨架能够通过改变构象来承受毛细力的挤压，其较低的极性也有助于减弱凝胶与溶剂之间的相互作用；溶剂快速挥发也缩短了毛细力的作用时间，减轻了应力积累对凝胶骨架结构的破坏作用；同时，溶剂的快速蒸发带走了大量热量，体系温度迅速下降，降低了硅羟基的反应活性，减少了不可逆形变的产生，这对于保持凝胶的结构非常有利。与传统的二氧化硅气凝胶相比，这一新型气凝胶表现出优异的柔韧性和弹性，能在50%的形变下仍保持结构不被破坏，并可在30%的形变下反复压缩多次后迅速回弹而不产生永久变形。这是国际上首次以真空干燥技术制备气凝胶材料的报道。
　　随着研究的发展，气凝胶的定义也随之不断变化。最初，由湿凝胶经过特殊的超临界干燥获得的材料称之为气凝胶。随着干燥方法和气凝胶制备技术的发展，通过冷冻干燥、常压干燥、真空干燥等技术，也可以获得结构完整的轻质多孔材料。1998年Hüsing 和 Schubert等提出湿凝胶经过干燥、其凝胶网络和孔结构可以大部分保留的多孔材料都称之为气凝胶，这一定义更着眼于气凝胶材料本身的结构特征。随着其他新型气凝胶的开发，目前对其定义再作修改，认为以零维、一维或二维材料作为分散相的溶胶体系，通过连续或非连续的凝胶化手段获得凝胶后，再经干燥得到凝胶网络和孔结构高度保持的材料即为气凝胶。
　　目前，各种各样的气凝胶材料被开发出来，包括有机的或无机的、或有机无机杂化的、柔软的或坚硬的、导电的或绝缘的、透明的或不透明的等等，这种新颖的材料将获得更广阔的应用。