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气凝胶现在是一种炙手可热的新质料

文章出处:od体育 浏览次数:发表时间:2021-12-23
本文摘要:气凝胶在人类的发现史上,有许多发现的降生极具偶然性。气凝胶就是美国人基斯特勒受果冻的启发而发现出来的。 气凝胶现在是一种炙手可热的新质料,被誉为“改变世界的十大神奇质料”之一。一次“赌钱”催生出气凝胶基斯特勒系美国科学家、发现家、化学工程师、教育学家。他的兴趣十分广泛,一生结果颇丰,仅取得的专利就有60多项,其中对后世发生重要影响的要数气凝胶了。说起果冻,人们都不会生疏。

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气凝胶在人类的发现史上,有许多发现的降生极具偶然性。气凝胶就是美国人基斯特勒受果冻的启发而发现出来的。

气凝胶现在是一种炙手可热的新质料,被誉为“改变世界的十大神奇质料”之一。一次“赌钱”催生出气凝胶基斯特勒系美国科学家、发现家、化学工程师、教育学家。他的兴趣十分广泛,一生结果颇丰,仅取得的专利就有60多项,其中对后世发生重要影响的要数气凝胶了。说起果冻,人们都不会生疏。

基斯特勒关注果冻的视角很是特别,他想到这样一个问题:既然果冻的主要身分为水,含量可高达99.5%,那么为什么其中的水不会析出呢? 果冻其实是一种水凝胶。所谓凝胶,是指溶胶失去流动性后酿成的一种富含液体的半固态物质。

基斯特勒认为,一定存在着许多无形的“容器”,把水分困在其中,这种特殊的“容器”是由明胶分子组成的立体网格。但问题是,由明胶分子组成的立体网格怎么能兜住那么多的水?原来,果冻网格内的水分子是由外貌张力拉住的,而且这种外貌张力的巨细,正好让水既无法挣脱又可以晃动,这样才有了果冻颤巍巍的质感。

1931年,基斯特勒和他的同事查尔斯打了一次“赌”,看谁能用气体把果冻罐里的液体给换掉,而又不能导致凝胶的结构瓦解。这看似一个漠不关心的科技笑谈,实际上却是对他们天才思想的磨练。在其时的科技条件下,他们是如何实现科技突破的呢?基斯特勒首先要做的就是弄清楚凝胶的网格与其中的水是不是一个整体,也就是说把液体拿走了凝胶的立体网格会不会被破坏?为此,基斯特勒举行了一系列的实验。

实验证明,果冻内的液体是连成一体的,而且可以被替换成其他液体。这说明果冻内的网格与液体可能是相互独立的。下面的问题就是如何用气体换掉果冻里的液体了。

用蒸发的措施去除果冻里的液体显然是不行行的,因为蒸发一定会导致凝胶网格的破坏。基斯特勒的突围之策是超临界干燥法。超临界干燥法是指通过压力和温度条件的控制,让液体在临界温度之上完成从液相至气相的转变,并依靠压力作用来抑制气相的逸散。

不外,基斯特勒总感受用明胶做成的气凝胶太过懦弱,可能不会有什么应用前景。于是,基斯特勒选择硅胶作为实验工具,使用超临界干燥法去除了硅胶中的液体身分,从而乐成地制成了世界上第一个真正意义上的气凝胶。这种二氧化硅气凝胶的结构中,98%是空气。今后,基斯特勒又乐成制备了氧化铝、氧化钨、氧化铁、氧化锡、酒石酸镍、明胶、琼脂、橡胶等气凝胶。

“固态的烟”气凝胶是当今世界已知的最轻的固体质料,以超高的比外貌积和极低的导热系数而闻名。气凝胶的比外貌积可高达1000平方米/克;气凝胶的密度可低至0.003克/立方厘米;气凝胶的隔热性能优良,1寸厚的掺入部门碳元素的硅胶相当于二三十块普通玻璃的隔热性能。

气凝胶之所以具有如此神奇的性能,就在于气凝胶中绝大部门身分为气体。这使得气凝胶看上去呈云雾状,又被称为“固态的烟”“固态云”。我们知道,空气为热的不良导体,因此气凝胶是优良的热传导阻遏质料(金属凝胶除外)。一般来说,热量的通报有热传导、对流和辐射三种途径,而气凝胶险些能阻止热通报的所有途径,从而到达其他质料无法相比的绝热效果。

生不逢时的气凝胶然而,基斯特勒的天才发现在其时并没有引起人们的重视,因为这种质料的造价太过昂贵而且很是易碎,以致不得不甜睡在实验室里。逐步地,这种超级质料就被人们淡忘了。可是,有一小我私家始终没有忘。

这小我私家就是它的发现人基斯特勒,他总感受如此奇妙的质料在未来应该占有一席之地。他把气凝胶的专利权授给了美国的孟山都公司,于1948年完成了一种粉状的二氧化硅气凝胶的开发,并将其命名为山都胶。在其时,气凝胶主要是用作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂,也可用作油漆的增稠剂等。

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厥后,山都胶还被用于墨水和涂料等行业,主要是使用气凝胶的散光性而使墨水和涂料发生一种雾面的效果。山都胶还曾被用来充当绵羊用防蝇膏的增稠剂以及凝固汽油弹的乳化剂。一个史上最精彩的绝热质料,一生下来就被边缘化了。

气凝胶的运气陷入了低谷,生不逢时的气凝胶终于被孟山都公司停产了。基斯特勒于1975年去世,最终没有时机看到气凝胶的出头之日。

气凝胶的峰回路转到了20世纪70年月后期,法国科学家泰希纳等人在寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多孔质料的历程中,生长了气凝胶的制备技术。由于找到了一种更好的二氧化硅气凝胶合成工艺,从而使得气凝胶科学向前跨越了一大步. 到了20世纪90年月,由于有机气凝胶和碳气凝胶的降生,以及德国科学家对气凝胶在力学、热学、光学、电学、声学等方面的深入研究,为气凝胶的应用提供了技术支撑。特别是美国国家航空航天局(NASA)对气凝胶的青睐,让气凝胶的生长迎来了一个新的机缘。

1997年,气凝胶首次被应用于“火星探路者”号探测器上,成为宇宙飞船的尺度绝热质料。1999年,一种塞满气凝胶的“棒球手套”搭乘“星尘”号探测器升空,主要任务就是捕捉来自彗星尾部的灰尘。2006年,该探测器完成任务返回地球,首次为人类带回了彗星及星际灰尘粒子的样本。

这些灰尘粒子可能携带有46亿年前太阳系降生时最为原始的信息。2002年,NASA旗下的阿斯彭气凝胶公司开发了一种新型气凝胶,有望为人类登陆火星研制一种具有保温隔热功效的宇航服衬里。

听说,宇航服涂上一层18毫米厚的这种气凝胶之后,宇航员便能抵御零下130℃的低温。炙手可热的新质料由于气凝胶具有极低的密度、高比外貌积和高孔隙率,从而体现出奇特的光学、热学、声学以及电学性能,使其在航空航天、国防军工、节能环保、石油化工等领域具有广泛的应用。世界上的许多国家竞相开发新型气凝胶质料,使得气凝胶已生长成为一个庞大的家族,如硅气凝胶、碳气凝胶、硫气凝胶、金属气凝胶和氧化物气凝胶等。

在航空航天和国防军工领域,气凝胶的应用具有极大的优势。气凝胶保温质料可作为飞机机舱的隔热层质料,也可作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反映堆、蒸发器、锅炉以及庞大的高温蒸汽管路系统的高效隔热质料,可以增强隔热效果,降低舱内温度,增大舱内的使用空间。

2016年11月3日,我国新一代大运力运载火箭“长征”五号在海南文昌卫星发射中心乐成首飞,气凝胶新质料就发挥了重要作用:我国研发的高性能纳米气凝胶隔热毡为火箭燃气管路系统提供了有效的隔热保温手段。2017年4月26日,“天舟”一号货运飞船升空时搭载了一个用于物资生存的低温锁柜,打造这个太空“冰箱”的隔热保温质料的主角同样是气凝胶。在修建领域,气凝胶的隔热、阻燃、疏水、隔音、减震、环保等优势,很是适合于用作修建节能墙体质料。在消防领域,应用气凝胶质料可以大幅降低消防衣物器材的重量和体积,延长消防员在火场中的事情时间。

在家电领域,应用气凝胶质料可以缩小家电体积,提高节能效果和宁静性能。在石油化工领域,应用气凝胶质料可有效淘汰外保温层的用量,而且由于具有极佳的憎水性而不会腐蚀保温管道,从而可以降低后期的维护用度。将气凝胶保温毡应用于稠油高温注汽开采管道保温和炼化妆置介质管线的保温,可有效淘汰施工工具的体积,从而显著提高管道的排布率。

在都会集中供热中,做好保温事情对保证供热质量,实现节能减排都具有重要的意义。气凝胶直埋保温管可广泛应用于都会集中供热的管道保温,具有十分突出的优点。

如气凝胶直埋保温管保温性能好,热损失仅为传统管材的25%。气凝胶直埋保温管占地少,施工快,有利于情况掩护,而且使用寿命可达20年。

在电力储能领域,气凝胶保温质料也有用武之地。如在火力发电厂的能量转换历程中,应用气凝胶保温质料可有效降低热能的损失,从而提高热源的使用效率。我国的气凝胶研究起步较晚,但生长速度很快,取得了一系列重要结果,有些甚至走在了世界的前列。

2018年9月1日实施的《纳米孔气凝胶复合绝热制品》国家尺度,是我国第一个关于气凝胶质料的国家尺度,必将为推动我国的气凝胶工业化发挥努力的作用。


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