「固態煙霧」，改變未來的神奇材料

改變未來的神奇材料

文/蒙哥

固態煙霧

夏天來了，天氣越來越熱，然而，就在我們抱怨這惱人的陽光時，對於那些極地科考的科學家、攀登雪山的探險者、遨遊太空的宇航員來說，寒冷仍然伴隨著他們左右。不妨回憶一下，在陰冷的冬日裡，氣溫降到0℃以下，我們裹著羽絨服，戴著手套、帽子，仍然會禁不住地瑟瑟發抖。而這些勇敢的冒險家們所要面對的，是更低的氣溫、更嚴酷的環境，他們又該如何在嚴寒中保持溫暖呢？

最近，國外一家科技公司研發了一款神奇的防寒外套，這款外套的厚度只有3毫米，重量也只有大約1千克，但是保暖效果卻可以媲美40毫米厚的羽絨衣，可以完美地解決寒冷地區人們的保暖問題，甚至可以幫助宇航員在太空中抵禦嚴寒。而這款防寒外套的神奇之處，就是它所採用的「氣凝膠材料」。那麼，什麼是氣凝膠，氣凝膠又是怎樣實現超強保暖能力的呢？

衣服切斷熱量傳遞的3種途徑

在此之前，我們必須先對溫暖和寒冷的感覺有一個基本的認識。我們之所以能夠感受到溫暖或寒冷，是由於我們的身體和外界環境之間發生了熱量的傳遞，而在自然界中，熱量的傳遞有3種方式，熱傳導、熱輻射和熱對流。簡單來說，當我們端起一杯熱水，感覺杯子很燙，是由於杯子和手直接接觸發生了熱傳導；當我們舒服地曬著太陽，感覺渾身暖洋洋的，這歸因於太陽向我們輸送的熱輻射；而當空調的暖風不斷給房間加熱的時候，則是空氣的熱對流給我們帶來了熱量。當環境向我們的身體傳遞熱量時，我們就會感到溫暖，而當我們身上的熱量向環境中流失時，我們就會感到寒冷。我們的身體是個不斷發熱的恆溫體，防寒外套的使命就是阻礙我們的身體向環境釋放熱量。

我們冬天穿的棉衣或者羽絨服，摸起來都是柔軟蓬鬆的，用力一捏就會明顯縮小。這是因為它們內部填充的棉花或羽絨，都是由許許多多極細的棉花纖維或者羽絨纖維搭接堆積而成的，它們的結構都是疏鬆多孔的，其中吸收了很大比例的空氣。而空氣本身就是一種隔熱能力非常強的物質，家裡用的雙層玻璃，或是暖水瓶的雙層內膽，都是利用一層被封裝起來的空氣來隔熱的。在棉衣或者羽絨服中，沿著曲折蜿蜒的纖維，熱傳導是緩慢而低效的；相互交織的纖維層層疊疊，熱輻射被不斷地反射，難以通過；而蓬鬆複雜的結構還把內部的空氣分割成了無數細小的氣孔，空氣的通過和熱對流也被抑制了。熱量傳遞的3種途徑都被切斷，這就是棉衣和羽絨服保暖的原理。蓬鬆的毛衣或羊絨衫的保暖能力也是源於類似的內部結構。

相反的，當棉衣或羽絨服被雨水或是雪花打濕的時候，纖維結構被水壓縮，變得不再蓬鬆，內部吸收的空氣也被水代替了。而水的傳熱能力很強，因此打濕的衣服不再保暖，而是讓我們覺得格外寒冷。

氣凝膠的保暖能力為何更強

那麼，和棉花、羽絨相比，氣凝膠的隔熱能力又是怎樣的？要回答這個問題，我們還需要明白凝膠的概念。

其實，凝膠是一種很常見的物質，很多人喜歡吃的果凍，就是一種典型的凝膠，在加熱的果汁中加入一些食用膠，不斷攪拌混合均勻，再慢慢冷卻，讓食用膠凝固，就製成了簡單的果凍。工業生產中，凝膠大多也都是從溶液變化而成，溶液中的膠體顆粒或是高分子在一定條件下互相連接，形成一種與棉花、羽絨類似的空間網路結構，而溶劑填滿這些網路結構之間的孔隙，就形成了凝膠。如果溶劑是水，那麼這種凝膠被稱為水凝膠，如果溶劑是空氣，那麼這種凝膠就是氣凝膠。

氣凝膠中的絕大部分都是空氣，目前最先進的氣凝膠中的空氣含量超過99.8%，因此它還被稱為空氣膠、固態煙霧或是藍煙。顯然，氣凝膠中的空氣含量遠遠高於棉花或者羽絨，因此隔熱能力更強。另一方面，超高的空氣含量也使相同體積的氣凝膠重量比棉花和羽絨輕得多，這樣就可以製成更輕更薄更方便的防寒外套。此外，氣凝膠中的纖維比棉花纖維和羽絨纖維更細更有韌性，纖維之間的孔隙也更小，這些不但進一步增強了氣凝膠的隔熱能力，還提高了它的彈性。經過特殊工藝處理的氣凝膠還可以防水，全面保護我們的身體。

所以說，氣凝膠和棉花或者羽絨的保暖原理基本相同，只是其中的空氣含量更高，纖維更細，所以保暖能力更強，製成防寒衣物後也更輕便、更保暖。先進的氣凝膠防寒外套在-196℃的液氮環境下，仍然能夠保持內部溫度在30℃以上，這足以保護宇航員在太空極寒條件下順利執行任務。

氣凝膠的神奇遠不止這些

然而，氣凝膠能做的遠不止於此。早在1931年，美國就有科學家成功地通過水解水玻璃的方法製備了二氧化硅氣凝膠。可笑的是，這位開創了歷史的科學家居然是因為和朋友打賭才巧合地發明了氣凝膠。這之後的近百年來，隨著人們的探索和鑽研，氣凝膠的家族不斷壯大，現在已經發展出了碳氣凝膠、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠。同時，氣凝膠中的膠體纖維越來越細，其中的氣體含量越來越高，性能也向更低密度、更強韌性、更耐高溫的方向不斷發展。

時至今日，氣凝膠正在各行各業發揮著它們的神奇能力。硅氣凝膠可以承受1?200℃的高溫，是出色的隔熱材料。碳氣凝膠是世界上最輕的物質，看似弱不禁風，實則堅固耐用，能夠製成防彈衣或者防彈裝甲，保護我們的安全。此外，氣凝膠中的孔隙還能夠吸收水中和空氣中的污染物，清除海上的石油泄漏，凈化空氣中的霧霾顆粒，為環境保護和人類健康貢獻力量。此時此刻，還有更多的氣凝膠產品正在宇宙空間站上，在科學實驗器械上，在工業化生產線上，也在我們身邊不起眼的角落裡，悄悄地為人類造福。這些神奇的氣凝膠背後，是無數科研工作者辛勤的汗水和不懈的鑽研，其中當然也少不了中國科學家的貢獻。

同學們可以想像一下，十年，或者二十年後，當我們的消防隊員脫下沉重的耐火服，換上由你們開發的輕薄耐熱的氣凝膠戰鬥服，在火場中奔走；當我們的邊防戰士換下被雨雪打濕的棉鞋，換上由你們設計的保暖防水又透氣的氣凝膠防寒靴，在嚴寒中駐守；當我們的宇航員脫下臃腫的宇航服，穿上由你們製作的貼身便捷的氣凝膠太空服，在太空中遨遊，這將會是一番多麼美好的景象！而未來的未來，氣凝膠材料還有哪些神奇的應用，就等著你們去探索和發現了。

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