開學了，8歲表妹逮著這個機會訛了我一大箱果凍，超模君糊里糊涂就進了這只神獸的套。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：“這果凍這么軟，搖搖晃晃怎么就不破呢？”
這可真是個好問題！她數(shù)學再好，終究還是個孩子啊！
一顆果凍引起的發(fā)現(xiàn)
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，并非由于它的液體屬性，而是結構所致，這個結構特指納米微孔網(wǎng)絡。
“納米微孔網(wǎng)絡”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，類似于裝在一個“容器”中，這才有了我們?nèi)庋劭匆姷墓麅觥；固乩盏耐翪harles Learned覺得這太荒謬了，于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(fā)掉不就只剩下“骨架”了嗎？
然后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(qū)別
最后，經(jīng)過多次實驗失敗，基斯特勒竟然成功用氣體代替液體，創(chuàng)造了一種呈現(xiàn)凝膠狀且不含任何液體的物質！
1931年，基斯特勒在Nature雜志上發(fā)表《共聚擴散氣凝膠與果凍》標志著氣凝膠的發(fā)現(xiàn)。也正是基斯特勒首次通過乙醇超臨界干燥技術，制備出世界上第一塊氣凝膠—SiO2氣凝膠。
氣凝膠
說了這么多，這就讓大家看看氣凝膠長什么樣：
圖源：veritasium
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”。
圖源：veritasium
如上圖所示的“凍”，其中97%是酒精，剩余3%是二氧化硅。由“凍”到氣凝膠的變化中的關鍵一步就是用什么東西趁“骨架”不注意把酒精替換掉，這個幸運落在了“液態(tài)二氧化碳”身上。
液態(tài)二氧化碳具有不易燃的優(yōu)點，而且它具有較低的臨界溫度，一旦液態(tài)二氧化碳填充了凝膠中的所有空隙，就把它變?yōu)槌R界狀態(tài)。
高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)時，氣液兩相性質非常接近，以至于無法分辨。
納米微孔網(wǎng)絡
隨后二氧化碳從液體變?yōu)闅怏w流出，而不影響固體結構，最后形成氣凝膠。
單純從這個點來看，這個東西有點像海綿，吸水和擠水后沒什么太大的變化。
不過，氣凝膠可比海綿厲害多了。
氣凝膠特性
不同于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愿。
圖源：veritasium
但是親水性太強并不利于實用，一沾水就壞的東西只會限制它才能的施展。而且，沒經(jīng)過處理的氣凝膠會使人的皮膚脫水、干裂，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，或易溶解于水。
所以，為了讓氣凝膠能夠在更廣闊的領域中發(fā)揮作用，科學家一般都會對氣凝膠的孔洞內(nèi)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(nèi)表面獲得疏水性。這樣就可以保證它的性能，延長壽命和提高使用價值。
圖源：veritasium
解決了親水性問題后，氣凝膠的強大特性再也無法被忽視了。
就沖它在溫度達到1200℃時才會熔化這個特性，就已經(jīng)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。
導熱系數(shù)是衡量材料隔熱效果的一個參數(shù)，該參數(shù)越低，隔熱效果越好。SiO2氣凝膠是目前世界上導熱系數(shù)最低的材料，沒有之一，它的常溫導熱系數(shù)可以做到0.018W/m·K。
前文我們提到過，在成為“氣凝膠”前，液體占比高達90%以上，當這些液體被氣體替換后，可想而知它會“輕”多少。相同體積下，真空測量后，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(yè)化發(fā)生在1940年代初期，美國孟山都公司（MonsantoCorp.）與基斯特勒合作生產(chǎn)的名為Santocel的氣凝膠粉末，用于化妝品、硅橡膠添加劑，凝固汽油增稠劑等。然而，由于高昂的制造成本和應用開發(fā)的滯后性，孟山都公司終止了該氣凝膠1970年代的項目。
孟山都公司基于氣凝膠產(chǎn)品Santocel的宣傳圖，1948年
隨著生產(chǎn)工藝的改良，氣凝膠的商業(yè)價值凸顯，并廣泛應用各種領域。有錢的NASA早在1997年就把氣凝膠應用于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(jīng)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（每個顆粒都小于沙粒），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(fā)和制造的。它在粒子遇到氣凝膠的撞擊面上密度較小，但隨著粒子鉆得更深并減速到停止，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(wǎng)
科技進步的速度越來越快，近幾年，有實驗表明利用“氣凝膠”制造的外套，即使在零下196攝氏度的環(huán)境中，依舊能保持32攝氏度的體溫，這保暖性能遠超羽絨服。
（友情提醒：有網(wǎng)友說目前上市的氣凝膠防寒服并沒有宣傳的那么好。）
但是，衣服不好，并不能否定“氣凝膠”本身的隔熱、絕緣優(yōu)勢。
氣凝膠作為一種優(yōu)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，如果用于墻構架或者類似窗戶遮雨板這些難以隔熱的區(qū)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(qū)，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(guī)模生產(chǎn)。
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！
