它是世界上最轻的固体！

liugang1029

它是世界上最轻的固体！1000℃下不会熔化，上过火星，还能进你家......

小果冻大难关

开学了，8岁表妹逮着这个机会讹了我一大箱果冻，超模君糊里糊涂就进了这只神兽的套。今天估计是一口气吃了太多，腻了，一边用手敲着果冻一边问超模君：“这果冻这么软，摇摇晃晃怎么就不破呢？”

这可真是个好问题！她数学再好，终究还是个孩子啊！

一颗果冻引起的发现

20世纪20年代，美国有个科学家叫塞缪尔·基斯特勒（ Samuel Kistler），他这人好奇心特别强，脑子非常好使，一生仅取得的专利就有60多项。
有一次，QQ弹的果冻引起了他的注意，他觉得果冻之所以呈凝胶状，并非由于它的液体属性，而是结构所致，这个结构特指纳米微孔网络。

“纳米微孔网络”可以简单解释为“骨架”和“容器”的结合体。

换句话说，果冻中的“液体”其实是由一个“骨架”撑着，类似于装在一个“容器”中，这才有了我们肉眼看见的果冻。基斯特勒的同事Charles Learned觉得这太荒谬了，于是两人就打了一个赌。

证明谁对谁错的方法很简单，既然基斯特勒觉得“果冻水”是由“骨架”支撑，那把液体蒸发掉不就只剩下“骨架”了吗？
然后再让空气代替液体填满这个“骨架”，要是“果冻”还能胖起来，那基斯特勒就是对的。

简单理解：气球装水和气球装空气的区别

最后，经过多次实验失败，基斯特勒竟然成功用气体代替液体，创造了一种呈现凝胶状且不含任何液体的物质！
1931年，基斯特勒在Nature杂志上发表《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。也正是基斯特勒首次通过乙醇超临界干燥技术，制备出世界上第一块气凝胶—SiO2气凝胶。

气凝胶

说了这么多，这就让大家看看气凝胶长什么样：

图源：veritasium

在浅色背景下，它透明到几乎看不见。一旦背景变深，它就有了蓝色烟雾般的飘渺感。
这样一看，是不是觉得一点也不像“凝胶”？这分明就是一个固体啊！

事实上，气凝胶就是目前世界上最轻的固体。
在成为上面的固体之前，它至少从外表上看起来还像个“果冻”。

如上图所示的“冻”，其中97%是酒精，剩余3%是二氧化硅。由“冻”到气凝胶的变化中的关键一步就是用什么东西趁“骨架”不注意把酒精替换掉，这个幸运落在了“液态二氧化碳”身上。
液态二氧化碳具有不易燃的优点，而且它具有较低的临界温度，一旦液态二氧化碳填充了凝胶中的所有空隙，就把它变为超临界状态。

高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨。

随后二氧化碳从液体变为气体流出，而不影响固体结构，最后形成气凝胶。
单纯从这个点来看，这个东西有点像海绵，吸水和挤水后没什么太大的变化。

不过，气凝胶可比海绵厉害多了。

气凝胶特性

不同于海绵对水的来去无所谓，气凝胶对水那叫一个亲，哪怕为此破坏自己的结构也心甘情愿。

图源：veritasium

但是亲水性太强并不利于实用，一沾水就坏的东西只会限制它才能的施展。而且，没经过处理的气凝胶会使人的皮肤脱水、干裂，而其自身也会因水分的存在而变性、开裂，甚至粉化。

亲水性：指带有极性基团的分子，对水有较大的亲和能力，可以吸引水分子，或易溶解于水。

所以，为了让气凝胶能够在更广阔的领域中发挥作用，科学家一般都会对气凝胶的孔洞内表面进行化学修饰，用一种基团来取代羟基中的氢，从而使其内表面获得疏水性。这样就可以保证它的性能，延长寿命和提高使用价值。

图源：veritasium

解决了亲水性问题后，气凝胶的强大特性再也无法被忽视了。

就冲它在温度达到1200℃时才会熔化这个特性，就已经把许多材料给比了下去。

此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

导热系数是衡量材料隔热效果的一个参数，该参数越低，隔热效果越好。SiO2气凝胶是目前世界上导热系数最低的材料，没有之一，它的常温导热系数可以做到0.018W/m·K。

前文我们提到过，在成为“气凝胶”前，液体占比高达90%以上，当这些液体被气体替换后，可想而知它会“轻”多少。相同体积下，真空测量后，气凝胶比空气还要轻，密度也比空气密度更低，这也是它被称为世界上最轻的固体的原因。
如此轻、耐高温和绝缘性强，气凝胶的前途明显不可限量啊！

但是，它高昂的造价成本也拖累了气凝胶的应用速度。

它第一次工业化发生在1940年代初期，美国孟山都公司（MonsantoCorp.）与基斯特勒合作生产的名为Santocel的气凝胶粉末，用于化妆品、硅橡胶添加剂，凝固汽油增稠剂等。然而，由于高昂的制造成本和应用开发的滞后性，孟山都公司终止了该气凝胶1970年代的项目。

孟山都公司基于气凝胶产品Santocel的宣传图，1948年

随着生产工艺的改良，气凝胶的商业价值凸显，并广泛应用各种领域。有钱的NASA早在1997年就把气凝胶应用于火星探路者号的电子箱绝缘。

火星探路者号

2006年，“星辰”号就已经用气凝胶包裹着星际和彗星尘埃颗粒带回了地球。

当“星尘”遇到彗星时，这些尘埃的飞行速度将达到6倍。步枪子弹的速度。为了收集这些细小的颗粒（每个颗粒都小于沙粒），气凝胶将逐渐将它们减速至停止，而不会损坏它们或改变其形状和化学组成。

星尘公司的气凝胶是由JPL开发和制造的。它在粒子遇到气凝胶的撞击面上密度较小，但随着粒子钻得更深并减速到停止，密度逐渐增加。这与在眼镜中使用渐进镜片的概念类似。

气凝胶标记颗粒进入的轨迹，图源NASA官网

科技进步的速度越来越快，近几年，有实验表明利用“气凝胶”制造的外套，即使在零下196摄氏度的环境中，依旧能保持32摄氏度的体温，这保暖性能远超羽绒服。

（友情提醒：有网友说目前上市的气凝胶防寒服并没有宣传的那么好。）

但是，衣服不好，并不能否定“气凝胶”本身的隔热、绝缘优势。
气凝胶作为一种优良的隔热装置，它的超隔热气泡结构几乎完全抵消了三类热传递方式。

研究表明，以气凝胶为原料的隔热装置，如果用于墙构架或者类似窗户遮雨板这些难以隔热的区域，能够帮助住户每年省下 750 美金的费用。除了省钱，气凝胶隔热装置可以帮助大大降低碳排放量。

试想，如果这样的装置能够送到我国西藏边区，边防士兵和百姓必将能少受一些寒冷，如果能够普及，冬天的雾霾必将会慢慢消散。
遗憾的是，高昂的成本仍旧不足以满足大规模生产。

不过，超模君相信，这一难关终将被攻破，科学从来不会让人失望，时间一到，惊喜必来！

作者简介：超模君，数学教育与生活自媒体博主，新晋理工科奶爸。出版有《芥子须弥 · 大科学家的小故事》；推出过有数学界收藏价值的《数学之旅·闪耀人类的54个数学家》。

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容参考来源：veritasium·YouTuBe