有一種材料，雖然是固體，卻無比輕盈，看起來好像一股裊裊的藍(lán)煙，如夢(mèng)似幻，這就是目前世界上最輕的固體材料——?dú)饽z。
凝膠就是凝聚的膠體，膠體是介于溶液和濁液之間的一種混合物，其顆粒大小在1-100nm之間。膠體的顆粒都帶有同種電荷，因此在一般狀態(tài)下，由于同種電荷相互排斥，這些顆粒無法碰撞結(jié)合。但是如果在膠體中混入電解質(zhì)，這些顆粒所帶的電荷就會(huì)被電解質(zhì)中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發(fā)生電荷互斥，而是碰撞結(jié)合，形成凝膠。
凝膠中的膠體顆粒相互結(jié)合，但是這些顆粒并不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結(jié)成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這樣的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結(jié)構(gòu)周圍，便形成了氣凝膠。
氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機(jī)炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
二氧化硅（SiO2）氣凝膠是一種非常好的隔熱材料。而且SiO2氣凝膠的折射率接近空氣，使得太陽(yáng)光可以輕易地從中穿過。憑借這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽(yáng)能利用以及建筑節(jié)能等方面有所應(yīng)用。
全碳?xì)饽z具有極強(qiáng)的吸附能力，可吸附自身質(zhì)量最高可達(dá)900倍的有機(jī)溶劑。而且，它的吸附效率也十分驚人，1g全碳?xì)饽z每秒鐘便能吸附68.8g的有機(jī)物。全碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)韌性也非常優(yōu)良，即便被數(shù)千次壓縮至原體積的20%也可迅速?gòu)?fù)原。
如今，氣凝膠已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，制造出如氣凝膠體育器材、氣凝膠電池、氣凝膠房屋、氣凝膠登山鞋等新型產(chǎn)品。
不過，要使氣凝膠產(chǎn)品走進(jìn)千家萬(wàn)戶，似乎還需要一些時(shí)間。
相信未來，科學(xué)家們會(huì)研制出更多性能優(yōu)異的氣凝膠，并推動(dòng)它們的廣泛應(yīng)用，造福人類生活。
本文介紹了2020年Nature/Science及其子刊發(fā)表關(guān)于氣凝膠的文章。
隔熱材料最大的市場(chǎng)是二氧化硅（SiO2）氣凝膠，但它們致命的缺點(diǎn)是脆性，導(dǎo)致機(jī)械加工性差，與精確鑄造小物體的結(jié)合難度高，這限制了（SiO2）氣凝膠的應(yīng)用。瑞士聯(lián)邦Wim J. Malfait團(tuán)隊(duì)提出了一種直接的墨水書寫方法，可以從稀釋的（SiO2）納米顆粒懸浮（溶膠）漿液中創(chuàng)建打印SiO2氣凝膠物體。由于凝膠顆粒的體積分?jǐn)?shù)高，油墨表現(xiàn)出剪切稀化行為，在打印期間容易流過噴嘴，但是在打印后它們的粘度迅速增加，確保了打印物體保持其形狀。打印后，硅溶膠在氨氣中凝膠化，隨后加工成氣凝膠。氣凝膠比表面積高（751 m2 g?1）和導(dǎo)熱率超低（15.9 mW m?1 K?1）。此外，作者還將之結(jié)合功能納米顆粒。該氣凝膠物體可用于熱管理，用作微型氣泵并降解揮發(fā)性有機(jī)化合物。文章"
Additive manufacturing of silica aerogels
"發(fā)表于《Nature》
（參考：
doi.org/10.1038/s41586-020-2594-0
）
【2】Nature Commun.：分級(jí)孔隙率的超輕COF /石墨烯氣凝膠
共價(jià)有機(jī)骨架（COF）是有機(jī)連接子中輕質(zhì)元素(如C，N，O，B，Si和H)通過強(qiáng)共價(jià)鍵構(gòu)成的高度多孔結(jié)晶的聚合物。由于結(jié)構(gòu)多樣性、永久孔隙率、遠(yuǎn)距離有序性，COF有多種應(yīng)用，如有機(jī)催化、氣體存儲(chǔ)、分子分離、能量存儲(chǔ)裝置、光催化水分解、發(fā)光二極管等。但由COF制備宏觀物體仍具有挑戰(zhàn)性。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)Arne Thomas
在《Nature Communication》發(fā)表"Ultralight covalent organic framework/graphene aerogels with hierarchical porosity".作者
通過水熱法合成COF/還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠。COF以3D方式堆疊方式沿2D石墨烯片的表面原位生長(zhǎng)，冷凍干燥后形成具有分層多孔結(jié)構(gòu)的超輕氣凝膠，可以壓縮和膨脹數(shù)次而不會(huì)破裂。COF/rGO氣凝膠顯示出極好的吸收能力，可用于從水中去除各種有機(jī)液體。此外，作為超級(jí)電容器裝置的活性材料，氣凝膠可提供269 F g-1的高電容，循環(huán)穩(wěn)定性超過5000次。
（參考：doi.org/10.1038/s41467-020-18427-3）
【3】
Science Adv.: 各向異性、分層的隔熱SiC@SiO2納米線氣凝膠
陶瓷氣凝膠是用于建筑，工業(yè)和航空航天器的輕質(zhì)高效的絕熱潛在材料，但通常受到高溫時(shí)脆性和結(jié)構(gòu)破壞的限制。盡管已有制造基于納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)陶瓷氣凝膠彈性的有效方法，但結(jié)構(gòu)中隨機(jī)分布的宏觀孔隙通常導(dǎo)致低剛度和低隔熱性能。西安交通大學(xué)為了克服這些障礙，采用了通過使用定向冷凍澆鑄和熱處理來制備各向異性和分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)SiC@SiO2納米線氣凝膠。氣凝膠的超低導(dǎo)熱系數(shù)約為14 mW / m·K，具有很高的剛度（比模量約為24.7 kN·m / kg），即使在1200°C加熱下也具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，是極端條件下的理想絕熱材料。結(jié)果"
Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation
"發(fā)表于《Science Advances》（參考：DOI: 10.1126/sciadv.aay6689）
【4】Science Adv.: 熱塑性發(fā)泡法制備人工智能觸覺傳感器石墨烯氣凝膠
通常情況下，由固體直接發(fā)泡是制造多孔材料的最有效方法。然而，因固體的可塑性的界面相互作用，理想的發(fā)泡不能制備納米顆粒的氣凝膠。浙江大學(xué)高超，彭玉鑫、王健等研究員發(fā)明了一種親水性發(fā)泡方法，將氧化石墨烯（GO）固體直接轉(zhuǎn)化為氣凝膠塊和微陣列。水分子插入GO層之間，能夠使GO固體變成可塑性狀態(tài)，并能夠直接發(fā)泡。氣泡的形成遵循一般的結(jié)晶規(guī)則，并能夠精確控制壁厚度低至8 nm。氣泡團(tuán)簇產(chǎn)生具有無縫連接的雙曲面結(jié)構(gòu)，使石墨烯氣凝膠具有超強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，可抵抗極端變形。直接發(fā)泡的氣凝膠的應(yīng)變系數(shù)（GF）極高（?2），應(yīng)變范圍超寬（0-95％），穩(wěn)定性優(yōu)越（104個(gè)循環(huán)），勝過大多數(shù)應(yīng)變傳感器。通過將直接與墨水打印集成，作者制造了空間精度約為100μm的大面積氣凝膠微陣列傳感器。在深度學(xué)習(xí)框架中，陣列用作人工智能（AI）觸覺傳感器，可在識(shí)別材料種類和表面結(jié)構(gòu)方面達(dá)到80％以上的準(zhǔn)確度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類手指的平均能力（30％）。文章以
"Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors"為題發(fā)表在《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.abd4045）
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