我们正处于探索外层空间的“新竞赛”之中，新材料始终处于技术进步的前沿。看一下航天服的需求，它既要保护宇航员不受太空极端温度的影响，同时又要尽可能的薄和轻，以增强灵活性。 美国国家航空航天局(NASA)开发了用于太空探索的气凝胶绝缘材料，但近年来，气凝胶已经商业化，并在其他许多领域得到了应用。 气凝胶是极好的绝热材料。在这里，一块气凝胶可以保护花朵免受喷灯的伤害。 气凝胶是一种先进材料，由于其超多孔结构，工程师不仅可以为宇航服和飞行器设计新的隔热材料，还可以设计成过滤器、电池、太阳能集热器等等。 然而，“气凝胶”又不是一种材料。相反，它们是一种特殊的固体形式，可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成。虽然气凝胶是固体，但它们含有许多微小的空隙或“气孔”，所以它们大多是由空气组成的。 那么，什么是气凝胶？如何制作气凝胶？气凝胶的主要特性是什么？气凝胶有哪些应用？ - 01 - 什么是气凝胶？ 气凝胶是超多孔材料，这意味着，虽然它们是固体，但它们内部充满了微小的气孔。这些气孔是气凝胶独特性能的关键。虽然有许多材料也是多孔的，如泡沫和某些陶瓷，但气凝胶是一个极端的例子。 在气凝胶中，气孔占了材料的绝大部分，形成超轻的固体材料。气凝胶中的气孔非常小，比人的头发还小得多，肉眼很难看到。正是由于气凝胶是如此的轻和半透明性，以至于它们有冻结的烟雾（frozen smoke），固态的烟雾（solid smoke）、固态的空气（solid air）和蓝烟（blue smoke）这样的昵称。 Samuel Stephens Kistler在1931年发明气凝胶。而这一切是因为他与Charles Learned之间的赌注。他们二人当时正比赛谁先将凝胶里的液体成分用气体取代却不使发泡的间壁收缩崩塌。最后Kistler办到了。 - 02 - 气凝胶的主要特性是什么？ 气凝胶是如此的多孔，其体积的95%都是空气，这赋予了它们各种不同寻常的特性。它们是有史以来制造或发现的最轻的材料，这使得它们在航空航天应用中特别有用，因为在这些应用中，减轻重量是至关重要的。 极低的密度 尽管它们的名称是气凝胶，但它们不是凝胶，它们是高度多孔的固体，主要由空气组成。气凝胶一开始是液体，被转化成凝胶，然后除去液体。它们独特的孔隙结构是通过保存微小颗粒在液相中结合形成的结构而形成的。诀窍是在去除液体的同时保留粒子之间的空间。这些空隙变成了气凝胶中的气孔。 尽管气凝胶里有个胶字，但它其实是坚硬而干燥的物质，就其物理性质与胶体一点也不类似。之所以被称为胶，是由于它的制造过程提取于凝胶。 耐压性 提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下，并不会留下痕迹；如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷；而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。 虽然它具有破碎的倾向，但是以结构来说它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力是源于其分子的组成：大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元，进而组合成树突状的微观立体结构。 这些小单元会形成分形链状的三维结构，其间充塞著大量的孔洞，每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。 极低的热导率 气凝胶是优良的热绝缘体，气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式（热传导、热对流、热辐射）中的两种带来的热量转移。 凝胶中空气的成分比例至少占95%以上，而空气为热的不良导体，故它们是好的热传导隔绝材料(不过金属凝胶在作为绝缘体的用途时就不是那么有效)。例如硅凝胶，由于硅也为热的不良导体，其隔绝性能又更加良好了。 就热对流的方式而言，因为空气无法跨越凝胶表面行对流作用，他们也是好的热对流隔绝材料。 一般的气凝胶对热辐射不起太大的作用。但碳凝胶是好的热辐射隔绝材料，因为碳元素在标准温度下能够吸收热量转移时散发的红外线辐射。所以，现今性质最好的气凝胶是掺入部分碳元素的硅凝胶。 半透明性 因为气凝胶绝大部分是空气，所以，大部分气凝胶材料具有半透明性。因为瑞利散射的影响，气凝胶里的微小树突结构会过滤可见光光谱中波长较短小的部分，而这就产生了它轻柔的颜色：在较暗的环境散发柔柔的蓝光，在明亮的环境散发微微的黄光。 亲水性和疏水性 气凝胶本身的性质是具亲水性的，但是也可借由化学制程将它改变为疏水性。凝胶在逐渐吸收水汽的过程中，会经历分子结构的变动，比如尺寸缩小，甚至完全被毁坏。借由改变凝胶对于水汽的接受度，才能改善毁坏的现象。而疏水性制程能促进胶体加工过程的便利性，便于使用水刀切割。 因为气凝胶吸湿的自然性质，凝胶摸起来干干的，并表现出强大的吸水能力，为此，长时间拿着凝胶的人要穿着手套，以预防皮肤表面出现干燥脱水的现象。