10月16日，據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)報(bào)道，輕固體有望在中國(guó)量產(chǎn)，密度僅為空氣1/6。

輕固體物質(zhì)有望規(guī)模化生產(chǎn)

日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見，對(duì)它的應(yīng)用研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，或集中在少數(shù)的高精尖域。

密度僅為空氣的1/6、高孔隙率、大比表面積和低的熱導(dǎo)率……氣凝膠身上如此不錯(cuò)的性質(zhì)，使它毫無(wú)疑問(wèn)地榮升為上輕的固體物質(zhì)。據(jù)報(bào)道，目前氣凝膠的低密度可以達(dá)到0.16mg/cm3。

鑒于此，諸多科學(xué)家把氣凝膠認(rèn)為是“改變的神奇材料”，并預(yù)言將在化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)以及航空航天、生命科學(xué)等域具有重要的應(yīng)用前景。

上第塊氣凝膠誕生于1931年，美國(guó)科學(xué)家Kistler次使用超臨界干燥法將二氧化硅凝膠中的液體用空氣置換出來(lái)，完整地保持了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到了半透明的二氧化硅氣凝膠。鑒于氣凝膠特的性質(zhì)，自問(wèn)世以來(lái)氣凝膠材料的研究直受到廣泛的關(guān)注。

應(yīng)用研究停留在實(shí)驗(yàn)室

然而，時(shí)至今日，在我們的日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見，對(duì)它的應(yīng)用研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，或集中在少數(shù)的高精尖域。

究其原因，主要有兩方面：第，氣凝膠低密度、高孔隙率的特點(diǎn)使得這種材料非常脆弱，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的耐用性較差；第二，凝膠的干燥過(guò)程非常復(fù)雜，常規(guī)條件會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的體積收縮，通常須使用超臨界干燥技術(shù)，涉及高溫高壓、特殊裝置，且制備程序煩瑣、非連續(xù)、周期長(zhǎng)、產(chǎn)量低，使得它的生產(chǎn)成本居高不下。

針對(duì)二氧化硅氣凝膠強(qiáng)度差的弱點(diǎn)，目前個(gè)行之有效的手段是在二氧化硅凝膠中引入有機(jī)組份。

在這方面，國(guó)內(nèi)外的研究人員通過(guò)努力，的確已經(jīng)得到具有定柔韌性的有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化氣凝膠。但遺憾的是，這種方法的弊端在于使氣凝膠的制備工藝更加煩瑣，同時(shí)還伴隨著氣凝膠密度的大幅度增加，而這，卻與其低密度的特點(diǎn)相悖。

另方面，為了替代超臨界干燥技術(shù)，研究人員也在不斷探索新的干燥技術(shù)。如常壓干燥法，既不涉及高壓，又在干燥過(guò)程中對(duì)凝膠有增強(qiáng)作用。

但由于這種方法無(wú)法避免毛細(xì)力對(duì)凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞，因此所制備的樣品仍會(huì)發(fā)生收縮，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致樣品破碎，難以大規(guī)模制備，同時(shí)常壓干燥法需要使用大量的溶劑，難以避免高成本和環(huán)境污染問(wèn)題。因此，通過(guò)經(jīng)濟(jì)、便捷的途徑制備力學(xué)性能異的低密度氣凝膠具有重要意義。

簡(jiǎn)便制備技術(shù)和性能化獲突破

近，從中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所傳來(lái)好消息：該所徐堅(jiān)研究員和趙寧副研究員帶的團(tuán)隊(duì)在自然科學(xué)基金委、科技部的大力支持下，在氣凝膠材料簡(jiǎn)便制備技術(shù)和性能化方面取得了新進(jìn)展。

他們通過(guò)分子設(shè)計(jì)，以巰基—雙鍵點(diǎn)擊反應(yīng)制備了含有硫醚鏈段的橋聯(lián)倍半硅氧烷前驅(qū)體，在分子尺度上引入有機(jī)組分，這種有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化分子兩端是三烷氧基硅基，經(jīng)水解縮合后可表現(xiàn)出良好的剛性和尺寸穩(wěn)定性，中間柔順的硫醚鏈段則可賦予凝膠骨架彈性。

令人欣喜的是，這種橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠可直接在室溫下真空干燥得到氣凝膠，大地簡(jiǎn)化了氣凝膠的制備過(guò)程，得到的氣凝膠不但完整保留了濕凝膠的初始尺寸，而且質(zhì)地均、密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、比表面積高，具備傳統(tǒng)方法制備氣凝膠的良特性。

研究表明，在真空下凝膠中的溶劑揮發(fā)過(guò)程中，柔性的硫醚鏈段使得彈性凝膠骨架能夠通過(guò)改變構(gòu)象來(lái)承受毛細(xì)力的擠壓，其較低的性也有助于減弱凝膠與溶劑之間的相互作用；溶劑快速揮發(fā)也縮短了毛細(xì)力的作用時(shí)間，減輕了應(yīng)力積累對(duì)凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞作用；同時(shí)，溶劑的快速蒸發(fā)帶走了大量熱量，體系溫度迅速下降，降低了硅羥基的反應(yīng)活性，減少了不可逆形變的產(chǎn)生，這對(duì)于保持凝膠的結(jié)構(gòu)非常有利。

與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相比，這類型的橋聯(lián)倍半硅氧烷氣凝膠還表現(xiàn)出異的柔韌性和彈性，能在50%的形變下仍保持結(jié)構(gòu)不被破壞，并可在30%的形變下反復(fù)壓縮多次后迅速回彈而不產(chǎn)生長(zhǎng)久變形。

如果將其再次浸泡在乙醇或水中，經(jīng)真空干燥后，橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠仍能夠保持宏觀和微觀結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，這為通過(guò)簡(jiǎn)單的濕化學(xué)或物理浸漬方法對(duì)該氣凝膠骨架表面進(jìn)行功能化改性提供了可能。

例如，他們將該氣凝膠浸泡在聚乙烯亞胺（PEI）水溶液或乙醇溶液中，干燥后可在氣凝膠骨架表面形成層PEI涂層，得到具有很高二氧化碳吸附效率的吸附材料。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)，研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《先進(jìn)材料》雜志。

據(jù)悉，這是國(guó)際上次以真空干燥技術(shù)制備氣凝膠材料的報(bào)道。這種制備方法簡(jiǎn)便、材料性能異、易于表面功能化的氣凝膠材料有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，為氣凝膠在眾多域中的實(shí)際應(yīng)用奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。