在人類的發(fā)明史上，有許多發(fā)明的誕生具偶然性。氣凝膠就是美國人基斯特勒受果凍的啟發(fā)而發(fā)明出來的。氣凝膠現(xiàn)在是種炙手可熱的新材料，被譽為“改變的十大神奇材料”之。

次“打賭”催生出氣凝膠

基斯特勒系美國科學家、發(fā)明家、化學工程師、教育學家。他的興趣十分廣泛，生成果頗豐，僅取得的就有60多項，其中對后世產(chǎn)生重要影響的要數(shù)氣凝膠了。

說起果凍，人們都不會陌生。基斯特勒關注果凍的視角非常特別，他想到這樣個問題：既然果凍的主要成分為水，含量可高達99.5%，那么為什么其中的水不會析出呢？

果凍其實是種水凝膠。所謂凝膠，是指溶膠失去流動性后變成的種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)。基斯特勒認為，定存在著許多無形的“容器”，把水分困在其中，這種特殊的“容器”是由明膠分子組成的立體網(wǎng)格。但問題是，由明膠分子組成的立體網(wǎng)格怎么能兜住那么多的水？原來，果凍網(wǎng)格內(nèi)的水分子是由表面張力拉住的，并且這種表面張力的大小，正好讓水既無法掙脫又可以晃動，這樣才有了果凍顫巍巍的質(zhì)感。

1931年，基斯特勒和他的同事查爾斯打了次“賭”，看誰能用氣體把果凍罐里的液體給換掉，而又不能導致凝膠的結構崩潰。這看似個漫不經(jīng)心的科技笑談，實際上卻是對他們天才思想的考驗。在當時的科技條件下，他們是如何實現(xiàn)科技突破的呢？基斯特勒先要做的就是弄清楚凝膠的網(wǎng)格與其中的水是不是個整體，也就是說把液體拿走了凝膠的立體網(wǎng)格會不會被破壞？為此，基斯特勒進行了系列的實驗。

實驗證明，果凍內(nèi)的液體是連成體的，并且可以被替換成其他液體。這說明果凍內(nèi)的網(wǎng)格與液體可能是相互立的。下面的問題就是如何用氣體換掉果凍里的液體了。用蒸發(fā)的辦法去除果凍里的液體顯然是不可行的，因為蒸發(fā)定會導致凝膠網(wǎng)格的破壞。基斯特勒的突圍之策是超臨界干燥法。超臨界干燥法是指通過壓力和溫度條件的控制，讓液體在臨界溫度之上完成從液相至氣相的轉變，并依靠壓力作用來抑制氣相的逸散。

不過，基斯特勒總感覺用明膠做成的氣凝膠太過脆弱，可能不會有什么應用前景。于是，基斯特勒選擇硅膠作為實驗對象，利用超臨界干燥法去除了硅膠中的液體成分，從而成功地制成了上第個真正意義上的氣凝膠。這種二氧化硅氣凝膠的結構中，98%是空氣。此后，基斯特勒又成功制備了氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、明膠、瓊脂、橡膠等氣凝膠。

“固態(tài)的煙”

氣凝膠是當今已知的輕的固體材料，以超高的比表面積和低的導熱系數(shù)而聞名。氣凝膠的比表面積可高達1000平方米/克；氣凝膠的密度可低至0.003克/立方厘米；氣凝膠的隔熱性能良，1寸厚的摻入部分碳元素的硅膠相當于二三十塊普通玻璃的隔熱性能。

氣凝膠之所以具有如此神奇的性能，就在于氣凝膠中大部分成分為氣體。這使得氣凝膠看上去呈云霧狀，又被稱為“固態(tài)的煙”“固態(tài)云”。我們知道，空氣為熱的不良導體，因此氣凝膠是良的熱傳導隔材料（金屬凝膠除外）。般來說，熱量的傳遞有熱傳導、對流和輻射三種途徑，而氣凝膠幾乎能阻止熱傳遞的所有途徑，從而達到其他材料無法比擬的熱效果。

生不逢時的氣凝膠

然而，基斯特勒的天才發(fā)明在當時并沒有引起人們的重視，因為這種材料的造價太過昂貴并且非常易碎，以致不得不沉睡在實驗室里。慢慢地，這種超級材料就被人們淡忘了。

可是，有個人始終沒有忘。這個人就是它的發(fā)明人基斯特勒，他總感覺如此奇妙的材料在未來應該占有席之地。他把氣凝膠的權授給了美國的孟山都公司，于1948年完成了種粉狀的二氧化硅氣凝膠的開發(fā)，并將其命名為山都膠。在當時，氣凝膠主要是用作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑，也可用作油漆的增稠劑等。后來，山都膠還被用于墨水和涂料等行業(yè)，主要是利用氣凝膠的散光性而使墨水和涂料產(chǎn)生種霧面的效果。山都膠還曾被用來充當綿羊用防蠅膏的增稠劑以及凝固汽油彈的乳化劑。

個史上出色的熱材料，生下來就被邊緣化了。氣凝膠的命運陷入了低谷，生不逢時的氣凝膠終于被孟山都公司停產(chǎn)了。基斯特勒于1975年去世，終沒有機會看到氣凝膠的出頭之日。

氣凝膠的峰回路轉

到了20世紀70年代后期，法國科學家泰希納等人在尋求種能儲存氧氣及火箭燃料的多孔材料的過程中，發(fā)展了氣凝膠的制備技術。由于找到了種更好的二氧化硅氣凝膠合成工藝，從而使得氣凝膠科學向前跨越了大步.

到了20世紀90年代，由于有機氣凝膠和碳氣凝膠的誕生，以及德國科學家對氣凝膠在力學、熱學、光學、電學、聲學等方面的深入研究，為氣凝膠的應用提供了技術支撐。特別是美國航空航天局（NASA）對氣凝膠的青睞，讓氣凝膠的發(fā)展迎來了個新的機遇。

1997年，氣凝膠次被應用于“火星探路者”號探測器上，成為宇宙飛船的標準熱材料。1999年，種塞滿氣凝膠的“棒球手套”搭乘“星塵”號探測器升空，主要任務就是捕捉來自彗星尾部的塵埃。2006年，該探測器完成任務返回地球，次為人類帶回了彗星及星際塵埃粒子的樣本。這些塵埃粒子可能攜帶有46億年前太陽系誕生時為原始的信息。2002年，NASA旗下的阿斯彭氣凝膠公司開發(fā)了種新型氣凝膠，有望為人類登陸火星研制種具有保溫隔熱功能的宇航服襯里。據(jù)說，宇航服涂上層18毫米厚的這種氣凝膠之后，宇航員便能抵御零下130℃的低溫。

炙手可熱的新材料

由于氣凝膠具有低的密度、高比表面積和高孔隙率，從而表現(xiàn)出特的光學、熱學、聲學以及電學性能，使其在航空航天、國防軍工、節(jié)能環(huán)保、石油化工等域具有廣泛的應用。上的許多競相開發(fā)新型氣凝膠材料，使得氣凝膠已發(fā)展成為個龐大的家族，如硅氣凝膠、碳氣凝膠、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠等。

在航空航天和國防軍工域，氣凝膠的應用具有大的勢。氣凝膠保溫材料可作為飛機機艙的隔熱層材料，也可作為核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料，可以增強隔熱效果，降低艙內(nèi)溫度，增大艙內(nèi)的使用空間。

2016年11月3日，我國新代大運力運載火箭“長征”五號在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功飛，氣凝膠新材料就發(fā)揮了重要作用：我國研發(fā)的高性能納米氣凝膠隔熱氈為火箭燃氣管路系統(tǒng)提供了有效的隔熱保溫手段。2017年4月26日，

“天舟”號貨運飛船升空時搭載了個用于物資保存的低溫鎖柜，打造這個太空“冰箱”的隔熱保溫材料的主角同樣是氣凝膠。

在建筑域，氣凝膠的隔熱、阻燃、疏水、隔音、減震、環(huán)保等勢，非常適合于用作建筑節(jié)能墻體材料。在消防域，應用氣凝膠材料可以大幅降低消防衣物器材的重量和體積，延長消防員在火場中的工作時間。在家電域，應用氣凝膠材料可以縮小家電體積，提高節(jié)能效果和保障性能。在石油化工域，應用氣凝膠材料可有效減少外保溫層的用量，并且由于具有佳的憎水性而不會腐蝕保溫管道，從而可以降低后期的維護費用。將氣凝膠保溫氈應用于稠油高溫注汽開采管道保溫和煉化裝置介質(zhì)管線的保溫，可有效減少施工對象的體積，從而顯著提高管道的排布率。

在城市集中供熱中，做好保溫工作對保證供熱質(zhì)量，實現(xiàn)節(jié)能減排都具有重要的意義。氣凝膠直埋保溫管可廣泛應用于城市集中供熱的管道保溫，具有十分突出的點。如氣凝膠直埋保溫管保溫性能好，熱損失僅為傳統(tǒng)管材的25%。氣凝膠直埋保溫管占地少，施工快，有利于環(huán)境保護，并且使用壽命可達20年。

在電力儲能域，氣凝膠保溫材料也有用武之地。如在火力發(fā)電廠的能量轉換過程中，應用氣凝膠保溫材料可有效降低熱能的損失，從而提高熱源的利用效率。

我國的氣凝膠研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，取得了系列重要成果，有些甚至走在了的前列。2018年9月1日實施的《納米孔氣凝膠復合熱制品》標準，是我國第個關于氣凝膠材料的標準，必將為推動我國的氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)揮積的作用。