知识链接

气溶胶——冻结的烟雾、固态烟、最轻的固体

气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度最小的固体之一。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，但也有碳气凝胶存在。

目前最轻的硅气凝胶仅有3mg·cm-3，比空气重三倍，所以也被称为“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小（nm级），所以可见光经过它时散射较小，就像阳光经过空气一样。由于气凝胶中99.8％以上是空气，所以有非常好的隔热效果，3.3cm的气凝胶相当于20～30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都用到这种材料。气凝胶在粒子物理实验室中用作切连科夫效应的探测器。在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验探测器中，一个称为气凝胶切连科夫计数器（aerogel cherenkov counter，ACC）的粒子鉴别器，就是一个最新的应用实例。这个探测器利用了气凝胶介于液体与气体之间的低折射系数特性，同时具有高透光度、质量轻、固体形态的性质，优于使用传统低温液体或是高压空气的方法。

气凝胶在“863”高技术强激光研究方面也有应用。纳米多孔材料具有重要应用价值，如利用低于临界密度的多孔靶材料，可望提高电子碰撞激发产生的X射线激光的光束质量，节约驱动能，利用微球形节点结构的新型多孔靶，能够实现等离子体三维绝热膨胀的快速冷却，提高电子复合机制产生的X射线激光的增益系数，利用超低密度材料吸附核染料，可构成激光惯性约束聚变的高增益冷却靶。气凝胶具有纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积且其结构介观尺度上可控，成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。

由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。初步实验结果表明，密度在300kg·m-3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30dB，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。

在环境保护及化学工业方面，纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤材料。与其他材料不同的是该材料空洞大小分布均匀、气孔率高，是一种高效气体过滤材料。由于该材料具有特别大的比表面积，在作为新型催化剂或催化剂的载体方面亦有广阔的应用前景。

气凝胶还应用于在储能器件方面。有机气凝胶经过烧结工艺处理后可得到碳气凝胶，这种导电的多孔材料是继纤维状活性炭以后发展起来的一种新型碳素材料，具有很大的比表面积（600～1000m2·kg-1）和高电导率（10～25s·cm-1）而且密度变化范围广。例如，在其微孔洞内充入适当的电解液，可以制成新型可充电电池，它具有储电容量大、内阻小、质量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性。

作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其他单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其他新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属——气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。目前，国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的威尔茨堡大学、BASF公司，美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室，桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室等，国内主要集中在同济大学玻尔固体物理实验室、国防科技大学等。