世界上最輕的固體——氣凝膠

一塊質量為2克的氣凝膠支撐著

一塊質量為2.5千克的磚頭

在吉尼斯世界紀錄中，最輕的固體是氣凝膠。2021年，氣凝膠被國際知名期刊《科學》列入“改變世界的10種新材料”，并位居榜首。氣凝膠是什么？為什么這么輕？它又將如何改變世界呢？

文|黃詩愉 王國強

黃詩愉，中國科協創新戰略研究院助理研究員。

王國強，中國科協創新戰略研究院研究員。

01.

在打賭中誕生的氣凝膠

在介紹氣凝膠前，先說說凝膠。我們吃的果凍、肉皮凍都是凝膠。凝膠的結構像一張三維的“固體網”，網眼里填滿了液體。1931年，美國科學家塞繆爾·斯蒂芬斯·基斯特勒和同事查爾斯·勒尼德打賭：勒尼德覺得，凝膠能保持形狀全靠里面的液體；但基斯特勒認為，關鍵是凝膠里的固體骨架。為贏得賭局，基斯特勒打算把凝膠里的液體抽干，只留下固體骨架。他使用硅酸鈉為原料，經復雜流程制備出液體成分為乙醇的醇凝膠，把它放進高溫高壓的容器中，讓乙醇變成超臨界流體，再慢慢降壓，讓乙醇一點點變成氣體跑掉。就這樣，人類歷史上第一塊氣凝膠誕生了！它的骨架里幾乎全是空氣，密度低得離譜。基斯特勒給它取名“aerogel”——希臘語中“aero”是空氣，“gel”是凝膠，合起來就是“空氣凝膠”。

02.

被冷落的氣凝膠

1931—1935年，基斯特勒在美國伊利諾伊大學繼續開展氣凝膠研究。其間，他研究過二氧化硅氣凝膠的熱導率，也探索了多種氧化物氣凝膠的催化性能。20世紀40年代，基斯特勒與美國跨國農業公司孟山都簽訂了二氧化硅氣凝膠的生產許可協議。孟山都在馬薩諸塞州埃弗雷特市建立工廠，生產、銷售氣凝膠產品。這些氣凝膠主要用作化妝品和牙膏的添加劑、觸變劑，同時也用于冰箱和制氧設備的隔熱材料。孟山都的產品主要以二氧化硅為原料，但基斯特勒還嘗試用金屬氧化物、有機物等材料制備氣凝膠。此后，基斯特勒將研究重心轉向其他領域，氣凝膠研究幾乎停滯。隨著市場上出現更廉價的替代品，氣凝膠的生產隨之停止，逐漸淡出了人們的視野。

03.

氣凝膠制備工藝的重大突破

20世紀60年代，法國里昂大學的斯坦尼斯拉斯·泰希納教授領導的科研團隊為完成科研任務需要制備一批氣凝膠，泰希納將這個工作交給了研究生熱拉爾·尼古拉翁。尼古拉翁起初打算按基斯特勒的方法制備，但很快發現該方法效率太低、耗時太久，可能耽誤他順利畢業。于是，他開始嘗試新方法。最終，他發現使用四甲氧基硅烷替代硅酸鈉，將其在甲醇溶液中水解，一步即可制得醇凝膠。這種方法不僅效率高，還避開了基斯特勒方法的一些弊端。1968年，尼古拉翁和泰希納正式公布了他們的新方法，氣凝膠開始重新走入大眾視野。

用四甲氧基硅烷替代

傳統硅酸鈉制備醇凝膠

04.

科研的功臣

20世紀70年代之前，宇宙射線研究面臨一個關鍵瓶頸：傳統的氣體和液體切倫科夫探測器無法覆蓋特定能區段的粒子鑒別。氣體折射率太低，只能探測極高能粒子；液體折射率太高，無法區分中高能粒子。因此，需要一種折射率適中的材料。1972年，法國薩克雷核研究中心的米歇爾·康坦領導的科研團隊在查閱資料時偶然發現，氣凝膠恰好滿足了折射率適中的要求。此后，康坦團隊與泰希納團隊取得聯系并共同研究，于1974年聯合發表論文《二氧化硅氣凝膠用作切倫科夫輻射體》，開啟了氣凝膠在高能物理領域的應用先河。此后，氣凝膠在各領域的應用愈發頻繁。1985年，首屆氣凝膠國際研討會在聯邦德國的維爾茨堡大學舉辦。1997年，氣凝膠作為隔熱材料被用于“探路者”號火星探測器。1999年，氣凝膠作為高速塵埃顆粒的減速與捕獲介質，搭載“星塵”號探測器進入太空捕捉彗星尾部塵埃，并于2006年成功完成任務，為人類首次帶回彗星塵埃樣本。

05.

氣凝膠的超能力與應用

保溫隔熱

熱傳遞的方式主要有3種：熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導是指熱量沿物體本身的分子或原子振動傳遞。由于氣凝膠的固體骨架十分纖細，這種極細的結構會導致熱傳導中出現“邊界散射”效應，使熱量難以順著固體網絡傳導。熱對流是指流體流動帶來的熱量傳遞。氣凝膠的固體骨架極其微小且復雜，嚴重限制了內部氣體的流動，極大地抑制了熱對流。熱輻射是指物體以電磁波形式對外輻射能量。由于氣凝膠內部存在大量固體骨架，電磁波在向外傳播時會經歷多次反射和折射，每次反射和折射都會損耗部分能量，最終能穿透氣凝膠的輻射熱量微乎其微。上述性質使氣凝膠具有良好的隔熱保溫性能。在航空航天領域，航天器對隔熱要求極高，普遍采用氣凝膠作為隔熱材料。例如，我國的長征五號運載火箭、祝融號火星車、天舟一號貨運飛船都采用氣凝膠作為隔熱材料。在新能源汽車的動力電池中，氣凝膠可作為隔熱板，防止熱失控蔓延，保護電池安全。在建筑保溫材料和高端御寒服裝中，也能見到氣凝膠的身影。

氣凝膠擁有強大的隔熱能力

環境保護

氣凝膠具有高比表面積和可調控的孔徑結構，這使它具有高吸附性。對氣凝膠的固態部分進行改造，可使其定向吸附特定物質。例如，對一些種類的氣凝膠進行疏水改造，可使其對油類有超高親和力，同時對水排斥。這種氣凝膠投放到被漏油污染的海面，可吸附數十倍于自身質量的油污。由于氣凝膠密度極低，可長期停留在油膜位置，不會沉入水底；吸附大量油污后，其密度依舊低于海水，便于打撈回收。吸附油污的氣凝膠經擠壓即可排出油污，可重復使用多次。針對重金屬離子這類水溶性污染物，可通過化學反應在氣凝膠上接枝羧基、氨基、羥基等親水基團，讓氣凝膠吸附溶解于水中的金屬離子。吸附飽和后，通過物理或化學手段使其恢復活性，重復利用。

醫療健康

膠囊、片劑等傳統藥物劑型普遍存在生物利用度低的缺陷。一些氣凝膠具有孔徑可調控、良好的生物相容性和可降解性等獨特優勢，可作為新一代藥物載體。例如，純二氧化硅氣凝膠中的藥物以無定形而非結晶態存在于氣凝膠的孔隙中，可大幅提高溶解速率。酮洛芬從氣凝膠中釋放50%僅需5分鐘，而純結晶藥物120分鐘才釋放45%。二氧化硅—明膠復合氣凝膠則可通過改變明膠含量，精準調節藥物釋放速度。

06.

氣凝膠的未來

目前，科學家對氣凝膠的研究已十分深入，氣凝膠的各種新性能正在被逐漸開發。例如：具有形狀記憶功能的高分子氣凝膠，融合氣凝膠輕質多孔、高孔隙率、低熱導率與形狀記憶聚合物刺激響應特性，正成為航空航天、智能電子等領域的關鍵智能材料；摩擦電氣凝膠結合了氣凝膠結構與摩擦納米發電機技術，利用人體自身的微小運動產生電能，在智慧醫療、柔性交互等領域具有廣闊的應用前景。未來，氣凝膠有望成為我們生活里的“常客”。

*本文刊登于《科學畫報》2026年第7期，更多相關內容歡迎訂閱。

全年訂閱