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          世界10大新材料之首氣凝膠(氣凝膠基材):能耐1900度高溫,火星探險都離不開它

          世界10大新材料之首氣凝膠(氣凝膠基材):能耐1900度高溫,火星探險都離不開它

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          【摘要】:
          作為世界公認的十大新材料之首,氣凝膠擁有無限廣闊的應用前景,或許在不久的將來,我們就能住上不用安裝空天的氣凝膠(氣凝膠基材)墻面的房子,在冬天可以防止屋內熱量流失,在夏天可以阻隔熱氣進入屋內。

          美國國家宇航局在2002的時候,成立了一家專門生產氣凝膠的公司,只要在宇航服里加入一層氣凝膠,宇航員穿上它進行火星探險不在話下。

          那么氣凝膠(氣凝膠基材)是個啥東西,真有這么厲害嗎?

          我國有沒有跟上研究的步伐呢?

          2001年4月7日,美國向火星發射“奧德賽”號軌道飛行器,這次任務難度不大,但是探索成果突出,它的觀測數據幫助科學家在火星上找到了水的存在。

          這一發現讓全世界興奮起來,而美國也把載人登陸火星計劃加緊籌劃起來,但是登陸火星跟載人登月比起來簡直是史詩級的難度。

          要想把宇航員送上火星,首先就要給宇航服減重。

          為了保障宇航員在外太空的安全,宇航服需要做到防輻射、供氧、熱絕緣、抗低溫、調節內部溫度和提供標準大氣壓等功能,跟一個人形載人飛船差不多。所以宇航服制造難度大,造價非常昂貴,美國在阿波羅時代設計的月球宇航服,一套價值大約為14億人民幣。

          除了貴就是笨重,這樣一套航天服重達180斤,宇航員穿上它也就在月球上能走動,在地球上別說邁出“一小步”了,站起來都費勁。

          原因就在月球的引力只有地球的六分之一,所以宇航員負重感并不強而火星的引力大約是月球的兩倍,這其中的差距就等于是負重30斤和負重60斤的區別。

          所以宇航員穿登月宇航服,是沒辦法在火星上進行長時間的任務。

          雖然火星的環境要比月球好太多,但空氣稀薄輻射大,而且沒有氧氣,晝夜溫差達到60度左右,所以宇航服要減重,還不能減少功能。

          那么只能從材料入手給宇航服減重,美國科學家聲稱,宇航員將穿上用新型氣凝膠宇航服進行火星探險,這種新型宇航服能承受1200度的高溫,和零下130度的低溫。

          美國雖然是個搞霸權的國家,但是在科技這塊從來不含糊,氣凝膠還真是航空航天領域的黑科技。

          氣凝膠是一種乳白色的固體材料,內部空間呈納米級網狀孔隙結構,填充介質是空氣,說白了就是固體物質包裹著一團特殊狀態的空氣。

          而熱傳導中導熱系數最小的就是空氣,再加上氣凝膠內部的特殊結構,使導熱性能進一步下降,所以它是絕佳的隔熱材料,一塊一厘米厚的氣凝膠,相當于10塊普通玻璃的隔熱效果。

          而且氣凝膠(氣凝膠基材)密度低質量輕,目前最輕的氣凝膠空氣含量達99%以上,幾乎跟空氣的重量沒啥區別了。

          這些特殊結構的空氣對陽光散射比較小,所以氣凝膠在陽光下就像藍色的煙霧,一陣風就能把它吹走。但是你絕對想不到,看似輕薄如煙的氣凝膠,其實能承受自身質量幾千倍的壓力。

          氣凝膠的特性總結下來就是質量輕、熱絕緣和抗壓性能強,用氣凝膠做宇航服,在保證安全性的前提下,還可以大幅度減重,提升宇航員的舒適度。

          不過氣凝膠宇航服還排不上用場,美國火星探測器已經成功登陸火星好幾次,但是想要把人送上火星,起碼還得等個10年以上。

          要知道任何航天任務只要多個活人,任務難度直接翻幾倍,在不考慮安全性的前提下,燃料就是個大問題。

          阿波羅登月的運載火箭是土星五號,起飛重量就達到了3400噸,其中燃料就占到了90%。這還是登月計劃,要是載人登陸火星,這點燃料只夠零頭的。

          雖然新型宇航服還排不上用場,但氣凝膠憑著優異的隔熱性能,已經走出了實驗室被應用到各行各業,比如在航空航天和國防軍工領域,氣凝膠可以作為飛機機艙的隔熱層,也可作為高溫蒸汽鍋爐系統的高效隔熱材料。

          氣凝膠也是各行各業的新材料,把它加入到其他金屬或者紡織品等材料中,就如同有魔法一樣,將這些傳統材料全面加強。

          比如氣凝膠被壓縮后會迅速恢復原狀,加上內部的孔狀結構,讓其具有強大的吸附能力,可以作為理想的新型吸附材料,不但可以吸附油污、有毒氣體,還可以吸附水中的鉛、水銀等重金屬,可以用來治理水源污染等問題。

          氣凝膠基材

          因其優異的熱絕緣性能,不少廠家研制出一系列戶外御寒用具,比如登山運動員的鞋墊和睡袋,高端化妝品行業也將氣凝膠添加到面霜等護膚產品中。除此之外還被應用到化學、建筑工業、電池電力行業等等各行各業。

          國際頂尖權威學術雜志《科學》,曾羅列出可以改變世界的十大新材料,其中氣凝膠獨占10多項世界紀錄,位居十大新材料之首。

          然而就這么一種神奇的新材料,它被發明出來源于一場賭約。1931年,美國教授奇德勒和同事打了個賭,看誰可以把果凍中的液體換成氣體,并且還要保證固體狀態。

          果凍其實就是一種水凝膠,這是一種極為親水的三維網絡結構凝膠,能保持大量的水分而不溶解,含水量可以高達99%,使其彈性十足又能保持固態。

          如何把這些水分替換成空氣呢?教授先用酒精替換掉果凍里的水,然后把酒精果凍放入高壓滅菌器里,加熱到果凍內部酒精氣化的臨界點,酒精就會變成半液半氣狀態,專業術語叫“超臨界流體”。

          這時果凍的固體骨架察覺不到酒精在氣化,也就是通常說的“趁它不注意的時候”。最后讓多于的氣體逸出就得到了氣凝膠,教授用這種方法制備了各種材質的氣凝膠,并將研究結果發表在《自然》雜志上。

          但是不管氣凝膠在后來多么有研究價值,它在問世之初并沒有得到反響,甚至在之后的30年里,氣凝膠的基礎研究和實際應用都是處于停滯的狀態,最多也就是當做牙膏的添加劑。

          直到法國火箭專家在1970年的時候,為了制造火箭燃料存儲材料,在奇德勒教授的研究基礎上,改進了氣凝膠制備方法,用甲醛代替酒精,制造出高質量的硅氣凝膠,而且時間也快上不少。

          這一次的技術改進讓氣凝膠走進實際應用,也讓更多的人參與到研究當中。有了實驗室、實驗經費以及任務目標,氣凝膠的研究在此后20多年里,搭上了發展的快列車。

          作為科學界的常青樹,美國肯定又是領先世界,把氣凝膠在航天領域運用到了極致,2006年,美國“星塵號”飛船飛回地球,還攜帶這人類獲得的彗星星塵樣品。

          但要收集彗星星塵并不容易,盡管它們的體積比沙子還小,但是其速度比子彈快六倍,以此速度接觸到其它物質時,都會使自身的分子機構發生改變,甚至被高溫蒸發掉。而氣凝膠可以完美解決這個問題,它就像一個棒球手套,可以有效削減星塵的速度,并讓這些塵埃滯留在氣凝膠內,科學家最后可以根據撞擊軌跡找到這些彗星微粒。

          早在1997年的時候,美國就首次把氣凝膠用到了火星探測器上,從此氣凝膠成為航空航天領域里,不可替代的隔熱材料,今年登陸火星的美國“毅力號”火星車,也離不開氣凝膠的保駕護航。

          火星著陸器在進入火星大氣層后,由于速度太快會和空氣摩擦產生高溫,內部精密儀器被高溫破壞的話,著陸器很有可能變成一顆流星燒毀,或者失去控制像打水漂一樣被彈出火星大氣層。

          所以隔熱罩里面就添加了氣凝膠(氣凝膠基材),它優異的熱絕緣性能可以有效保護內部的科學儀器,讓著陸器安全抵達火星表面。而且由于火星的惡劣環境,火星車也需要一套定制的“宇航服”,因為超低溫環境很可能讓火星車“趴窩”。

          比如我國的“祝融號”火星車采用的是低溫納米氣凝膠材料,主要用于“祝融號”的表面,即使超低溫度環境下火星車也可以正常工作,而且氣凝膠的質量很輕,幾乎不會增加火星車的載荷。

          那么像這么能改變世界的新材料,世界各國都在加大力度研發生產,21世紀后,氣凝膠的研究主要集中在歐美和日本等國家,美國則是一家獨大,全球氣凝膠年產量不足10萬立方米,但有65%都在美國。

          我國氣凝膠研發起步雖然比較晚,從90年代才開始投入研發,但是也突破了技術限制,祝融號火星車所使用的氣凝膠,是由中國航天科工三院306所研發的。

          而浙江大學的科研團隊研制的超輕氣凝膠,直接刷新了目前世界上最輕材料的紀錄,它被稱為“全碳氣凝膠”,密度比氦氣還低,僅為空氣的17%,質量只有每立方厘米1.6毫克。

          作為世界公認的十大新材料之首,氣凝膠擁有無限廣闊的應用前景,或許在不久的將來,我們就能住上不用安裝空天的氣凝膠墻面的房子,在冬天可以防止屋內熱量流失,在夏天可以阻隔熱氣進入屋內。

          隨著科學家們不斷研發,提高氣凝膠(氣凝膠基材)的性能和簡化生產流程,相信這一天會很快到來!

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