小果凍

大難關

開學了，8歲表妹逮著這個機會訛了我一大箱果凍，超模君糊里糊塗就進了這隻神獸的套。今天估計是一口氣吃了太多，膩了，一邊用手敲著果凍一邊問超模君：“這果凍這麼軟，搖搖晃晃怎麼就不破呢？”

這可真是個好問題！她數學再好，終究還是個孩子啊！

一顆果凍引起的發現

20世紀20年代，美國有個科學家叫塞繆爾·基斯特勒（ Samuel Kistler），他這人好奇心特別強，腦子非常好使，一生僅取得的專利就有60多項。

有一次，QQ彈的果凍引起了他的注意，他覺得果凍之所以呈凝膠狀，並非由於它的液體屬性，而是結構所致，這個結構特指奈米微孔網路。

“奈米微孔網路”可以簡單解釋為“骨架”和“容器”的結合體。

換句話說，果凍中的“液體”其實是由一個“骨架”撐著，類似於裝在一個“容器”中，這才有了我們肉眼看見的果凍。基斯特勒的同事Charles Learned覺得這太荒謬了，於是兩人就打了一個賭。

證明誰對誰錯的方法很簡單，既然基斯特勒覺得“果凍水”是由“骨架”支撐，那把液體蒸發掉不就只剩下“骨架”了嗎？

然後再讓空氣代替液體填滿這個“骨架”，要是“果凍”還能胖起來，那基斯特勒就是對的。

簡單理解：氣球裝水和氣球裝空氣的區別

最後，經過多次實驗失敗，基斯特勒竟然成功用氣體代替液體，創造了一種呈現凝膠狀且不含任何液體的物質！

1931年，基斯特勒在Nature雜誌上發表《共聚擴散氣凝膠與果凍》標誌著氣凝膠的發現。也正是基斯特勒首次透過乙醇超臨界乾燥技術，製備出世界上第一塊氣凝膠—SiO2氣凝膠。

氣凝膠

說了這麼多，這就讓大家看看氣凝膠長什麼樣：

在淺色背景下，它透明到幾乎看不見。一旦背景變深，它就有了藍色煙霧般的飄渺感。

這樣一看，是不是覺得一點也不像“凝膠”？這分明就是一個固體啊！

事實上，氣凝膠就是目前世界上最輕的固體。

在成為上面的固體之前，它至少從外表上看起來還像個“果凍”。

如上圖所示的“凍”，其中97%是酒精，剩餘3%是二氧化矽。由“凍”到氣凝膠的變化中的關鍵一步就是用什麼東西趁“骨架”不注意把酒精替換掉，這個幸運落在了“液態二氧化碳”身上。

液態二氧化碳具有不易燃的優點，而且它具有較低的臨界溫度，一旦液態二氧化碳填充了凝膠中的所有空隙，就把它變為超臨界狀態。

高於臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態稱為超臨界狀態。處於超臨界狀態時，氣液兩相性質非常接近，以至於無法分辨。

奈米微孔網路

隨後二氧化碳從液體變為氣體流出，而不影響固體結構，最後形成氣凝膠。

單純從這個點來看，這個東西有點像海綿，吸水和擠水後沒什麼太大的變化。

不過，氣凝膠可比海綿厲害多了。

氣凝膠特性

不同於海綿對水的來去無所謂，氣凝膠對水那叫一個親，哪怕為此破壞自己的結構也心甘情願。

但是親水性太強並不利於實用，一沾水就壞的東西只會限制它才能的施展。而且，沒經過處理的氣凝膠會使人的面板脫水、乾裂，而其自身也會因水分的存在而變性、開裂，甚至粉化。

親水性：指帶有極性基團的分子，對水有較大的親和能力，可以吸引水分子，或易溶解於水。

所以，為了讓氣凝膠能夠在更廣闊的領域中發揮作用，科學家一般都會對氣凝膠的孔洞內表面進行化學修飾，用一種基團來取代羥基中的氫，從而使其內表面獲得疏水性。這樣就可以保證它的效能，延長壽命和提高使用價值。

解決了親水性問題後，氣凝膠的強大特性再也無法被忽視了。

就衝它在溫度達到1200℃時才會熔化這個特性，就已經把許多材料給比了下去。

此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。

導熱係數是衡量材料隔熱效果的一個引數，該引數越低，隔熱效果越好。SiO2氣凝膠是目前世界上導熱係數最低的材料，沒有之一，它的常溫導熱係數可以做到0.018W/m·K。

前文我們提到過，在成為“氣凝膠”前，液體佔比高達90%以上，當這些液體被氣體替換後，可想而知它會“輕”多少。相同體積下，真空測量後，氣凝膠比空氣還要輕，密度也比空氣密度更低，這也是它被稱為世界上最輕的固體的原因。

如此輕、耐高溫和絕緣性強，氣凝膠的前途明顯不可限量啊！

但是，它高昂的造價成本也拖累了氣凝膠的應用速度。

它第一次工業化發生在1940年代初期，美國孟山都公司（MonsantoCorp.）與基斯特勒合作生產的名為Santocel的氣凝膠粉末，用於化妝品、矽橡膠新增劑，凝固汽油增稠劑等。然而，由於高昂的製造成本和應用開發的滯後性，孟山都公司終止了該氣凝膠1970年代的專案。

孟山都公司基於氣凝膠產品Santocel的宣傳圖，1948年

隨著生產工藝的改良，氣凝膠的商業價值凸顯，並廣泛應用各種領域。有錢的NASA早在1997年就把氣凝膠應用於火星探路者號的電子箱絕緣。

火星探路者號

2006年，“星辰”號就已經用氣凝膠包裹著星際和彗星塵埃顆粒帶回了地球。

當“星塵”遇到彗星時，這些塵埃的飛行速度將達到6倍。步槍子彈的速度。為了收集這些細小的顆粒（每個顆粒都小於沙粒），氣凝膠將逐漸將它們減速至停止，而不會損壞它們或改變其形狀和化學組成。星塵公司的氣凝膠是由JPL開發和製造的。它在粒子遇到氣凝膠的撞擊面上密度較小，但隨著粒子鑽得更深並減速到停止，密度逐漸增加。這與在眼鏡中使用漸進鏡片的概念類似。

氣凝膠標記顆粒進入的軌跡，圖源NASA官網

科技進步的速度越來越快，近幾年，有實驗表明利用“氣凝膠”製造的外套，即使在零下196攝氏度的環境中，依舊能保持32攝氏度的體溫，這保暖效能遠超羽絨服。

（友情提醒：有網友說目前上市的氣凝膠防寒服並沒有宣傳的那麼好。）

但是，衣服不好，並不能否定“氣凝膠”本身的隔熱、絕緣優勢。

氣凝膠作為一種優良的隔熱裝置，它的超隔熱氣泡結構幾乎完全抵消了三類熱傳遞方式。

研究表明，以氣凝膠為原料的隔熱裝置，如果用於牆構架或者類似窗戶遮雨板這些難以隔熱的區域，能夠幫助住戶每年省下 750 美金的費用。除了省錢，氣凝膠隔熱裝置可以幫助大大降低碳排放量。

試想，如果這樣的裝置能夠送到我國西藏邊區，邊防士兵和百姓必將能少受一些寒冷，如果能夠普及，冬天的霧霾必將會慢慢消散。

遺憾的是，高昂的成本仍舊不足以滿足大規模生產。

不過，超模君相信，這一難關終將被攻破，科學從來不會讓人失望，時間一到，驚喜必來！