气凝胶 — 由空气构成的物质及其特性


简介

在1931年，美国化学工程师Samuel Stephens Kistler博士与同事Charles Learned博士打赌，说他们可以把啫喱内的液体换成气体而不会使它塌陷。他们把这个概念称为「气凝胶」，并最终使用二氧化矽造出史上第一块气凝胶 [1]。此后，其他材料，譬如氧化铝、纤维素、卵白蛋白、橡胶和琼脂都被用于制作气凝胶 [1, 2]。你知道气凝胶是怎样制造的吗？让我们探索一下气凝胶的科学和它一系列的应用，这全都要归功于它的密度和隔热特性。

如何制造气凝胶

要明白如何制造气凝胶，我们首先要了解果冻的结构 — 对，是香甜有弹性，大家都喜爱的果冻啊！想像你正在厨房准备果冻，你需要用上三种材料：果冻粉、水和糖。我们可以暂且忽略糖，因为它只为果冻提供甜味。制作出来的果冻含有95% 水份和少量的多孔固体结构，这样的结构被定义为水凝胶（hydrogel）。要制作气凝胶，我们会希望把水凝胶当中的水转换成气体。

要把水凝胶中的水换走这个步骤听起来很简单，但其实非常复杂。如果你仅是把凝胶加热令当中的液体汽化，液体分子之间的吸引力会令凝胶的固体网状结构因毛细管作用塌陷，令整块凝胶收缩。试想像溶剂分子不断从凝胶汽化，剩下的液体分子借着分子间的吸引力不停把余下的分子拉在一起，以弥补分子流失所产生的空位以维持凝胶的密度。这会在纤巧的凝胶骨架产生一股向内收缩的压力，令网状结构塌陷并收缩。

在Kistler博士的论文中，他提出了一种名为「超临界干燥（supercritical drying）」的方法，过程涉及两个步骤 [2]。首先，把水凝胶浸进酒精里，凝胶中的水可以通过扩散作用被换成酒精。然后，把水凝胶放进一部名为高压釜（autoclave）的机器里，并把温度和压力提高至其临界点（critical point）以上，令水凝胶中的酒精处于「超临界流体（supercritical fluid）」的状态，当中获得极大动能的分子会高速移动，分子间的吸引力因而变得微不足道。如果我们在这时把温度维持在临界温度以上，但把高压釜减压，水凝胶内的所有流体都会变成气体（图一）。透过超临界流体这个相把液体变成气体，固体的凝胶结构能得以保存，因为我们避免了分子间吸引力所带来的毛细管作用。瞧，你已经成功从水凝胶制造出气凝胶了。

什么是超临界流体？

你应该对（在某一压力下的）沸点和熔点，以及物质三态的概念非常熟识。可是，当物质处于其「临界点」以上的高温和高压下，它也可以以「超临界流体」的状态存在，当中的分子完全气化，但被压缩至像液体分子一样高的密度。因此，超临界流体能同时展示以上两个物态的特性，液相和气相之间的区别变得模糊，包括视觉上的分界。酒精甲醇的临界压力和温度分别为8.1035 x 106 Pa（大约80 atm，即是大气压力的80倍）和512.6 K（239.45 ℃）[6]。


图1: 甲醇的相图和超临界干燥时的物态改变（见红色箭头）
* 图未必依比例画。

有趣的特性和应用

好耶！我们知道怎样制造气凝胶了，然后呢？让我们认识一下其有趣的特性，分别是密度和隔热能力。事实上，气凝胶最多可以含有高达99.9% 的空气 [3]，这使气凝胶拥有稳妥的结构之余亦非常轻巧。理所当然地，世界上已知最轻的固体亦是一种气凝胶，名为石墨烯气凝胶（graphene aerogel）或空气石墨（aerographene），它在真空下比空气轻7.5倍 [3]。另一个有趣的特性是其绝佳的隔热能力。空气本身是一个差劲的热导体，但它仍然可以透过对流传热。然而，气凝胶中狭窄的奈米结构能阻碍空气分子自由和有效地流动，令里面的空气不能透过对流传热 [4]，使气凝胶成为什至比空气更佳的热绝缘体。

气凝胶其中一个最受大众欢迎的应用，大概是美国太空总署在多次太空任务上的应用了 [5]。在星尘任务中，气凝胶被用于收集星际尘埃，因为高速移动的尘埃分子能在气凝胶像海棉般的多孔结构中逐渐减速并嵌入其中。此外，在火星探索任务中，气凝胶被用作保护火星探测器中的电子电路，确保其能在火星极大的日夜温差下正常运作。

从气凝胶的故事，我们可以了解到一个突破性的发明最初可能只来自一个简单而有趣的想法。谁知道你的想法有一天可能亦会带来科技上的突破呢？

参考资料


  1. Gurav JL, Jung IK, Park HH, Kang ES, Nadargi DY. Silica Aerogel: Synthesis and Applications. J Nanomater. 2010;(2010):1-11.
  2. Kistler SS. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 1931;127(3211):741. doi:10.1038/127741a0
  3. Sun H, Xu Z, Gao C. Multifunctional, Ultra‐Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels. Adv. Mater. 2013;25(18):2554-2560.
  4. Veritasium. World's Lightest Solid! YouTube. Updated June 1, 2019. https://www.youtube.com/watch?v=AeJ9q45PfD0.
  5. NASA. Aerogel – Catching Comet Dust. STARDUST – NASA’s Comet Sample Return Mission. Updated March 31, 2005. https://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html.
  6. 6. Vesovic V. METHANOL. Thermopedia. Updated February 14, 2011. http://www.thermopedia.com/content/952/. doi:10.1615/atoz.m.methanol

作者:
Randy Stefan TANUWIJAYA
《科言》学生编辑
香港科技大学

2021年9月